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ESTUDO DA DIFUSÃO DE OXIGÊNIO EM MATERIAIS DE COBERTURA
Rose Mary Gondim Mendonça
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS
EM ENGENHARIA CIVIL
Aprovada por:
Prof. Maria Claudia Barbosa, D. Sc.
Prof. Maurício Ehrlich, D. Sc..
Prof. Márcio de Souza Soares de Almeida, Ph. D.
Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos, Ph. D.
Prof. Frederico Wanderley Tavares, D. Sc
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
ABRIL DE 2007
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ii
MENDONÇA, ROSE MARY GONDIM
Estudo da Difusão de Oxigênio em
Materiais de Cobertura [Rio de Janeiro]
2007
XXXVI, 354p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,
D.Sc., Engenharia Civil, 2007)
Tese – Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE
1. Difusão de gás
2. Cobertura
3. Drenagem ácida
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
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iii
Dedico esta tese à todos
que incentivaram, sofreram e se alegraram
com a conclusão desse trabalho
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha família por todo apoio que recebi em todos os momentos.
Especialmente para as duas pessoas que mais amo. À minha mãe, pela paciência e o
incentivo incondicional. E ao querido Francisco, pelo auxílio, paciência e
principalmente compreensão em virtude da minha ausência. E a minha cunhada Elen
pela força na leitura e correção da tese.
À orientadora e psicóloga que por muitas vezes ouviu lamentações e as
transformou em desafios a serem superados, estimulando assim o término da tese.
Aos professores Maurício Ehrlich, Márcio Almeida e Laura Borma pela
constante troca de informações que auxiliaram na solução das dificuldades. Ao
indivíduo e profissional Franklin Antunes por acreditar e me incentivar ao longo de toda
a minha trajetória acadêmica e profissional. Ao exemplo de profissional Willy
Alvarenga Lacerda em que me espelho na atividade docente.
Aos funcionários do Laboratório de Geotecnia por suportarem com bom humor a
falta de paciência e pela ajuda durante a execução dos ensaios. Agradecimentos
especiais a Maria da Glória pelo auxílio com os ensaios; aos “Luizes” da minha vida por
ajudarem com a caracterização do solo e no estudo microbiológico. Ao Hélcio, Luiz
França, Mauro, Sérgio Iório e Álvaro por se envolver nas diversas etapas da tese.
Aos alunos de Iniciação Científica Thiago e Michelle que auxiliaram durante a
tese exercendo um papel fundamental na pesquisa. A Tatiana e a Grace Maria pela
compressão e amizade que amadureceu. Aos amigos Socorro, Mariluce, Anderson,
Roberto e Calle pela ajuda, risos e choros.
À Universidade Federal do Tocantins, aos pares de colegiado e alunos por dar
liberdade para o aperfeiçoamento profissional.
À professora Denise do Instituto de Química por disponibilizar a estrutura do
laboratório para as análises microbiológicas. Aos funcionários, Ayr e Márcia, do
Programa de Engenharia Química da COPPE/UFRJ por auxiliar na calibração do
sensor, empréstimo de equipamento e por auxiliar na execução do MEV. Ao professor
Maurício da Universidade Federal de Viçosa pelo auxílio com as difrações de Raios-X.
v
A EMBRAPA/CNPS na pessoa de Silvio e Marcelo por ter realizado algumas análises
químicas do solo e a curva característica no extrator de Richards.
À todos do Projeto de Recuperação da Bacia Carbonífera Sul Catarinense em
especial para a Carbonífera Criciúma S.A. e ao Centro de Tecnologia Mineral que
respectivamente permitiram a coleta, preparação e realização de alguns ensaios
indispensáveis para a realização da tese.
Ao CNPq e a FAPERJ pelo suporte financeiro.
À todos, os meus sinceros agradecimentos
.
vi
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ESTUDO DA DIFUSÃO DE OXIGÊNIO EM MATERIAIS DE COBERTURA
Rose Mary Gondim Mendonça
Abril/2007
Orientadora: Maria Claudia Barbosa
Programa: Engenharia Civil
A pesquisa trata da difusão do O
2
no solo e resíduos, investigando em laboratório a
relação entre o coeficiente de difusão desse gás e índices físicos. Para tanto, foram
realizados ensaios com concentração constante e massa finita em célula de reservatório
duplo, e indiretamente o consumo de oxigênio foi avaliado. Os valores de coeficiente de
difusão de oxigênio medidos experimentalmente foram comparados com os valores
estimados por modelos preditivos. Materiais coletados na Bacia Carbonífera Sul
Catarinense foram avaliados geotécnica, físico-química e mineralogicamente, e para
contextualizar a pesquisa estes materiais foram empregados na análise da eficiência de
diferentes configurações de cobertura dos rejeitos. Concluiu-se que o coeficiente de
difusão é dependente do conteúdo de ar e do grau de saturação, tem correlação com a
sucção e indiretamente com a porosidade total. O coeficiente de difusão variou desde
valores inferiores ao coeficiente de difusão do gás no ar (10
-5
m
2
/s) até valores inferiores
ao do gás na água (10
-9
m
2
/s), e nenhum dos modelos preditivos estudados apresentou
boa correlação para toda a gama de dados obtidos experimentalmente. A configuração
com a barreira capilar dupla, vegetada ou não, com 30 cm de solo compactado foi a que
apresentou melhor eficiência na contenção de fluxo de gás e água. O fluxo de oxigênio
obtido a partir dos ensaios em laboratório é compatível com o valor relatado na
literatura para fluxo de CH
4
e CO
2
em sistemas de cobertura de resíduos urbanos.
vii
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
STUDY OF OXYGEN DIFFUSION IN COVER MATERIALS
Rose Mary Gondim Mendonça
April/2007
Advisor: Maria Cláudia Barbosa
Departament: Civil Engineering
This work shows fundamental aspects of gas diffusion through the soil. A research
on gas flux by diffusion was realized in laboratory scale, studying the relationship
between the diffusion coefficient and porosity, degree of saturation, water content and
suction. Oxygen diffusion tests were performed in a double reservoir laboratory cell
using two different testing procedures: constant concentration source and finite mass
source, which did not exceed four days and were interpreted by POLLUTE v.6
software. Microbiological activities were evaluated by oxygen diffusion tests too. It can
be concluded that the diffusion coefficient depends on the air porosity and degree of
saturation. An inter-relation between suction and diffusion coefficient was also
observed. Porosity and texture can influence diffusion coefficient. The estimated values
of diffusion coefficient change from lower coefficient of oxygen values in the air (10
-5
m
2
/s) to lower oxygen values in water (10
-9
m
2
/s). The soil-atmosphere model
SOILCOVER was used to evaluate alternative cover systems performance for humid
climate. Capillary barrier with 30 cm of compacted layer shows best reduction on
oxygen and water flux. Although the vegetation cover system did not affect the oxygen
flux, it modified the water flux. Oxygen flux obtained by laboratory tests showed
similar values as obtained in landfill cover systems to CH
4
and CO
2
flux.
viii
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO
1.1. Motivação da Pesquisa
01
1.2. Escopo da Tese 02
1.3. Objetivos 03
1.4. Conteúdo da Tese 04
2. PROBLEMÁTICA DA EXPLORAÇÃO DE CARVÃO
2.1. Introdução
06
2.2. Consumo do carvão no país 06
2.3. Problemas ambientais associados ao uso do carvão em Santa Catarina 08
2.4. Drenagem ácida de minas 09
2.5. Medidas mitigadoras 11
2.6. Coberturas secas 12
3. DIFUSÃO DE GASES NO SOLO
3.1. Introdução
18
3.2. Constituintes do solo 18
3.3. Dinâmica da água no solo 20
3.3.1. Curva de retenção 21
3.3.2. Modelos para a curva de retenção 23
3.3.3. Determinação da função permeabilidade 25
3.3.4. Modelagem preditiva 26
3.4. Dinâmica do gás no solo 28
3.4.1. Advecção de gás no solo 29
3.4.2. Difusão de gás no solo 31
3.4.2.1. Equações para o fluxo difusivo 33
3.4.2.2. Fluxo difusivo de gás no solo 36
3.4.2.3. Fatores controladores da difusão de gás no solo 38
3.5. Atividade microbiológica no solo 43
4. METODOLOGIA DE ESTUDO DA ÁREA
4.1. Introdução
50
4.2. Características do local 50
4.3. Coleta dos materiais e ensaios de campo 53
4.4. Coleta das amostras e determinação da umidade 55
4.4.1. Ensaio de massa específica aparente de campo 57
4.4.2. Ensaio de infiltração 59
4.5. Resumo dos ensaios realizados 63
ix
4.6. Ensaios geotécnicos 67
4.7. Caracterização físico-química 73
4.8. Ensaios químicos especiais 74
4.9. Ensaios mineralógicos 76
4.10. Atividade microbiológica 77
5. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA
5.1. Introdução
82
5.2. Resultados dos ensaios de campo 82
5.3. Resultados dos ensaios geotécnicos 84
5.3.1. Umidade do material coletado 84
5.3.2.
Densidade real dos grãos 84
5.3.3. Granulometria 85
5.3.4. Limites de Atterberg 87
5.3.5. Compactação 88
5.3.6. Permeabilidade saturada 90
5.3.7. Curva de retenção 91
5.3.8. Adensamento 105
5.4. Resultados dos ensaios físico-químicos 109
5.4.1.
P
H,
CE,
C,
N,
H
E
TMO 109
5.4.2. CTC
e ataque sulfúrico 111
5.4.3. Fluorescência de raios-X e teor de enxofre 112
5.4.4. Ensaio de lixiviação 113
5.4.5. Ensaio de solubilização 114
5.5. Resultados dos ensaios especiais 115
5.5.1. Capacidade tampão 115
5.5.2. Balanço ácido-base 117
5.6. Resultados dos ensaios mineralógicos 118
5.6.1. Difração de raios-X 118
5.6.2. Microscopia Eletrônico de Varredura 120
5.7. Resultados dos ensaios microbiológicos 123
5.7.1. Escolha das técnicas de esterilização 123
5.7.2. Avaliação da atividade microbiológica 126
5.8. Considerações finais 129
6. ENSAIOS DE DIFUSÃO E CONSUMO
6.1. Introdução
133
6.2. Determinação do coeficiente de difusão 133
6.2.1. Modelagem experimental do ensaio de difusão 137
6.2.2. Soluções analíticas para determinação da difusão 142
6.2.3. Comparação entre modelos analíticos 146
6.2.4. Análise dos modelos 153
6.3. Metodologia dos ensaios 154
6.3.1. Célula de difusão 155
6.3.2. Painel de pressão 156
6.3.3. Sistema de aquisição de dados 156
x
6.3.4. Detalhes do ensaio 156
6.3.4.1. Preparação da amostra 157
6.3.4.2. Compactação 157
6.3.4.3. Montagem do ensaio de difusão 157
6.3.4.4. Purga 162
6.3.4.5. Variação da umidade no corpo de prova 162
6.3.4.6. Temperatura ambiente 163
6.3.4.7. Sensor de oxigênio 163
6.3.4.8. Influência da estagnação do gás no reservatório 165
6.3.4.9. Influência de microorganismos 165
6.4. Ensaios de realizados 165
6.4.1. Ensaios preliminares 165
6.4.2. Ensaios de difusão 166
6.4.2.1. Ensaio de difusão em triplicata 168
6.4.2.2. Ensaio esterililizado 168
6.4.2.3. Umedecimento e secagem 169
6.4.2.4. Ensaio com medida de sucção 169
6.4.2.5. Ensaios variando o teor de umidade e massa específica seca 170
6.4.2.6. Ensaio de difusão no rejeito 172
6.4.3. Ensaios de consumo 172
6.4.3.1. Consumo na célula de difusão 172
6.4.3.2. Taxa máxima de consumo 172
6.4.3.3. Comparação solo normal e esterilizado 173
6.4.3.4. Consumo no rejeito 174
7. RESULTADOS DO ENSAIO DE DIFUSÃO
7.1. Introdução
176
7.2. Ensaios preliminares 176
7.2.1. Teste de estanqueidade com o nitrogênio 176
7.2.2. Teste de agitação no reservatório e a estabilidade do sensor 177
7.2.3. Teste avaliando a influência da umidade relativa sobre o sensor 178
7.2.4. Testes com relação à saturação e estabilidade da membrana de
sílica
181
7.2.5. Teste avaliando a influência da temperatura ambiente 182
7.2.6.Teste avaliando a influência do solo no interior da célula 182
7.2.7. Determinação do decréscimo da concentração nos reservatórios 185
7.3. Ensaios de difusão 187
7.3.1. Obtenção do coeficiente de difusão 187
7.3.2. Ensaio em triplicata 194
7.3.3.
Esterilizado 197
7.3.4.
Umedecimento e secagem 200
7.3.5.
Medida de Sucção 204
7.3.6.
Variando o teor de umidade e massa específica seca 209
7.3.6.1. Jazida Empresa 209
7.3.6.2. Jazida Picollo 211
7.3.6.3. Cinza 213
7.3.6.4. Todos os ensaios reunidos 220
7.3.7.
Ensaio de difusão no rejeito 225
xi
7.4. Ensaios de consumo 227
7.4.1.
Consumo na célula de difusão 227
7.4.2.
Taxa máxima de consumo 232
7.4.3.
Comparação solo normal e esterilizado 234
7.4.4.
Consumo no rejeito 236
7.5. Considerações finais 239
7.5.1.
Difusão 239
7.5.2.
Consumo 245
8. ESTUDO DA COBERTURA
8.1. Introdução
250
8.2. Modelo SOILCOVER 250
8.3. Condições das simulações 252
8.4. Resultados e discussão das simulações 257
8.4.1. Simulações preliminares 258
8.4.2. Configuração da cobertura - Condição 1 261
8.4.3. Configuração da cobertura - Condição 2 263
8.4.4. Configuração da cobertura - Condição 3 265
8.4.5. Configuração da cobertura - Condição 4 267
8.5. Eficiência da cobertura 269
8.5. Considerações finais 274
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA PESQUISAS
FUTURAS
9.1. Conclusões
277
9.1.1. Quanto à relação coeficiente de difusão com os índices físicos e
sucção
277
9.1.2. Quanto a representatividade dos modelos preditivos 278
9.1.3. Quanto aos procedimentos experimentais e fatores intervenientes 279
9.1.4. Quanto ao consumo os ensaios de difusão 280
9.1.5. Quanto à eficiência da cobertura 281
9.2. Sugestões para Pesquisas Futuras 283
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
284
ANEXOS
299
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 - Principais áreas de ocorrência de carvão mineral na Bacia do
Paraná (SILVA & LEITES, 2000) .................................................. 07
Figura 2.2 - Localização da Bacia Carbonífera Sul Catarinense com relação às
Bacias Hidrográficas de Araranguá, Urussanga e Tubarão
(modificado de CETEM, 2001) ….................................................
08
Figura 3.1 - Desenho esquemático dos poros do solo saturado e não saturado
mostrando a trajetória tortuosa da água (GEOANALYSIS LTD.,
2000) ................................................................................................
19
Figura 3.2 - Formas de retenção de água no solo (MARINHO & PEREIRA,
1998) ................................................................................................
21
Figura 3.3 - Parâmetros da curva de retenção de um solo siltoso (FREDLUND
& XING, 1994) ................................................................................
22
Figura 3.4 - Gráficos que correlacionam: a) Relação entre o limite de liquidez
e a capacidade de retenção e b) Teor de umidade normalizado
com a capacidade de sucção versus a sucção para amostras
compactadas estaticamente (MARINHO & PEREIRA, 1998) .......
24
Figura 3.5 - Processos geoquímicos e fisicos importantes em uma pilha de
resíduo e sua relação com as diferentes variáveis (modificado de
STROMBERG, 1997 apud DESTOUNI et al. , 1998) ...................
26
Figura 3.6 - Representação do transporte de uma substância no espaço e no
tempo devido (a) advecção e (b) difusão (CHAPRA, 1997) ...........
29
Figura 3.7 - Desenho esquemático das três condições que provocam o fluxo de
ar na pilha de rejeito por gradiente de pressão, sendo: a) correntes
de vento, b) convecção térmica e c) alterações nas pressões
atmosféricas (MORIN et. al., 1991) ................................................
30
Figura 3.8 - Ilustração do processo de difusão (BRADY, 1989) ........................ 31
Figura 3.9 - Correlação entre o potencial redox e a concentração de oxigênio
nos poros do solo (BRADY, 1989) ................................................. 32
Figura 3.10
- Representação esquemática da difusão em poros. Onde: U
a
-
velocidade da espécie A, λ
lm
– caminho livre médio e d é o
diâmetro do poro (REIS & NICOLAIEWSKY, 2005) ...................
35
Figura 3.11
- Representação esquemática do mecanismo de difusão em sólidos
cristalinos (REIS & NICOLAIEWSKY, 2005) .............................. 35
xiii
Figura 3.12
- Ilustração mostrando a importância da difusão do gás na água a
partir da relação θ
eq
/θ
a
e grau de saturação .....................................
38
Figura 3.13
- Fator de tortuosidade como função do grau de saturação
(AACHIB et al. 1993 apud TREMBLAY,1995) ............................ 40
Figura 4.1 - Vista aérea da Carbonífera Criciúma S.A. com seus depósitos de
rejeitos, lagoas de decantação e usina de beneficiamento
(CARBONÍFERA CRICIÚMA S. A., 2003) ..................................
52
Figura 4.2 - Ensaios realizados com os materiais amostrados ............................ 53
Figura 4.3 - Local da coleta da amostra – Jazida Empresa ................................. 55
Figura 4.4 - Local da coleta da amostra – Turfa ................................................. 56
Figura 4.5 - Local da coleta da amostra - Jazida Picollo ....................................
56
Figura 4.6 - Seqüência de fotos mostrando os detalhes da execução dos
ensaios para determinação da massa in situ dos resíduos ............... 57
Figura 4.7 - Seqüência de execução do ensaio para determinação da massa do
resíduo in situ (MARQUES, 2001) ................................................. 58
Figura 4.8 - Detalhes da execução dos ensaios para determinação da massa
dos resíduos in situ .......................................................................... 59
Figura 4.9 - Duas formas de se medir a infiltração vertical no solo, a) área
inundada e anéis duplos (REICHARDT, 1987) .............................. 60
Figura 4.10
- Ensaio de Infiltração realizado nas coberturas existentes e no
resíduo fino peneirado ..................................................................... 61
Figura 4.11
- Desenho esquemático do ensaio de infiltração no resíduo grosso
utilizando poço com as laterais isoladas ..........................................
61
Figura 4.12
- Ensaio de infiltração realizado no rejeito grosso no depósito de
rejeito .......................................…………………………………… 62
Figura 4.13
- Infiltração em função do tempo (REICHARDT, 1987) .................. 62
Figura 4.14
- Procedimento de preparação de amostras de solo ……………....... 67
Figura 4.15
- Métodos de avaliação de ocorrência, diversidade, densidade e
atividade de organismos do solo (MOREIRA & SIQUEIRA,
2002) ................................................................................................
77
Figura 4.16
- Método das diluições sucessivas (taxa de diluição 1:10) com duas
repetições para contagem de microorganismos em meio TSA
(modificado de BROCK et al., 1994) ..............................................
80
Figura 4.17
- Contagem de colônias em lupa ........................................................
81
xiv
Figura 5.1 - Resultado do ensaio de granulometria dos solos que serão
avaliados como componentes do sistema de cobertura, onde a
linha contínua representa o ensaio tradicional e a tracejada o
ensaio modificado............................................................................
86
Figura 5.2 - Resultado do ensaio de granulometria dos resíduos que são
dispostos no depósito de rejeito, onde a linha contínua representa
o ensaio tradicional e a tracejada o ensaio modificado ................... 87
Figura 5.3 - Resultado do ensaio de granulometria das cinzas que serão
avaliadas como barreira capilar no sistema de cobertura, onde a
linha contínua representa o ensaio tradicional e a tracejada o
ensaio modificado ............................................................................
87
Figura 5.4 - Curva de compactação dos solos que serão utilizados no sistema
de cobertura ..................................................................................... 89
Figura 5.5 - Curva de compactação da Cinza Grossa e Cinza Fina, moldadas
estaticamente (UBALDO, 2005) ..................................................... 89
Figura 5.6 - Curvas de retenção dos materiais moldados no campo (Extrator de
Richards), acrescido da Areia e do Rejeito Fino Peneirado (Papel
Filtro) ………………………………………................................... 91
Figura 5.7 - Curvas de retenção da Jazida Empresa determinadas pela técnica
do papel filtro, onde em (a) único anel e (b) vários anéis e ensaio
de difusão (PF7**) …………………………………….................. 94
Figura 5.8 - Curvas de retenção da Jazida Empresa determinadas com a
técnica do papel filtro com um único anel (PF4) e com vários
anéis (PF5) .......................................................................................
95
Figura 5.9 - Curvas de retenção da Jazida Empresa determinadas pela técnica
do papel filtro e Extrator de Richards sob diferentes condições de
moldagem......................................................................................... 95
Figura 5.10
- Curvas de retenção da Jazida Picollo determinadas pela técnica do
papel filtro sob diferentes condições de moldagem, onde em (a)
único anel e (b) vários anéis e ensaio de difusão (PF7**) .............. 97
Figura 5.11
- Curvas de retenção da Jazida Picollo determinadas pelas técnicas
do papel filtro (PF1) e Extrator de Richards sob diferentes
condições de moldagem ……………………………...................... 97
Figura 5.12
- Curvas de retenção da Cinza Grossa determinadas pela técnica do
papel filtro sob diferentes condições de moldagem ........................ 99
Figura 5.13
- Curvas de retenção da Cinza Grossa determinadas pela técnica do
papel filtro com anel único PF1 e PF4 e com vários anéis
PF5*..................................................................................................
100
xv
Figura 5.14
- Curvas de retenção da Cinza Grossa determinadas pela técnica do
papel filtro com anel único PF1, e com vários anéis PF5*,
Extrator de Richards ER e na célula de difusão
PF6**................................................................................................
100
Figura 5.15
- Curvas de retenção da Cinza Fina determinadas pela técnica do
papel filtro com único anel e vários anéis ....................................... 101
Figura 5.16
- Curvas de retenção da Cinza Fina determinada pela técnica do
papel filtro, com anel único e com vários anéis, e pelo Extrator de
Richards ........................................................................................... 102
Figura 5.17
- Gráficos de umidade gravimétrica normalizada pela capacidade de
sucção versus sucção, onde: a) Jazida Empresa; b) Jazida Picollo
e c) para os dois solos reunidos ……..........……………................. 103
Figura 5.18
- Curvas de índice de vazios versus tensão vertical obtidas dos
ensaios de adensamento na Jazida Empresa..................................... 106
Figura 5.19
- Curvas de índice de vazios versus tensão vertical obtidas dos
ensaios de adensamento na Jazida Picollo , com indicação da
condição inicial de moldagem.......................................................... 107
Figura 5.20
- Curva de índice de vazios versus tensão vertical obtidas dos
ensaios de adensamento na Cinza Grossa , com indicação da
condição inicial de moldagem ......................................................... 108
Figura 5.21
- Capacidade tampão para os solos ensaiados e minerais padrões
esmectita, caulinita e illita obtidos de YONG et al. (1990) ............ 116
Figura 5.22
- Capacidade tampão para os resíduos ensaiados e minerais padrões
esmectita, caulinita e illita obtidos de YONG et al. (1990) ............ 116
Figura 5.23
- Imagens obtidas do MEV com aumento de 200 e 350 vezes em
três condições de compactações distintas para a Jazida Empresa ... 121
Figura 5.24
- Imagens obtidas do MEV com aumento de 200 e 350 vezes em
três condições de compactações distintas para a Jazida Picollo ...... 122
Figura 5.25
- Imagens obtidas do MEV, onde (a) de 150X, (b) e 350X e (c) 750
X de aumento para a Cinza Grossa ................................................. 123
Figura 5.26
- Curvas granulométricas dos solos Jazida Empresa, Jazida Picollo
e Turfa autoclavada linha tracejada e não autoclavada linha
contínua ........................................................................................... 124
Figura 5.27
- Amostras de solo da Jazida Empresa e Jazida Picollo preparadas
para o ensaio de limite de liquidez com Formaldeído e Azida .......
125
Figura 5.28
- Unidades formadoras de colônias com fator de diluição de 10
-2
para a Jazida Empresa (a) e Turfa (b) para os solos no estado
natural conservados no freezer ........................................................ 127
xvi
Figura 6.1 - Esquema experimental de reservatório duplo (a) e perfil de
concentração no reservatório fonte e base do corpo de prova para
saturação de 24,5% (YANFUL, 1993) ............................................
135
Figura 6.2 - Variação da concentração do reagente (C) em função do tempo (t)
para três valores de ordem de reação (n) conforme apresentado
por BORZANI (2006) ..................................................................... 140
Figura 6.3 - Curvas teóricas obtidas para os modelos empíricos, agrupados por
porosidade a) 0,5, b) 0,4 e c) 0,3 ..................................................... 150
Figura 6.4 - Curvas teóricas obtidas para os modelos empíricos estudados em
diferentes porosidades ..................................................................... 151
Figura 6.5 - Curvas teóricas porosidade versus porosidade em três graus de
saturação distintos: a) S = 0,0, b) S= 0,5 e c) S = 0,9 ..................... 152
Figura 6.6 - Curvas teóricas para uma porosidade de 0,5 comparando a
situação com e sem a parcela do fluxo difusivo do gás na água nos
modelos de COLLIN & RASMUSON (1988), NICHOLSON
(1991) e ELBERLING et al. (1994) ................................................
153
Figura 6.7 - Desenho esquemático da célula desenvolvida para determinação
do coeficiente de difusão com reservatório duplo (a) e
reservatório simples (b) ................................................................... 155
Figura 6.8 - Célula de difusão montada para o ensaio de difusão com
concentração variável (a) e constante na fonte (b), sendo possível
observar os itens: A – mola; B – disco perfurado, C - suporte
perfurado, D- membrana de sílica, E – sensor de O
2
.e F – medidor
de O
2
................................................................................................ 158
Figura 6.9 - Arranjo experimental do ensaio de difusão com concentração
constante na fonte, mostrando: A - painel de pressão, B - sistema
para umedecimento do gás, C - célula de difusão, D - sensor de
oxigênio, E - medidor de oxigênio, F - monitor com imagem do
sistema de aquisição de dados, G – compressor e H – cilindro com
o gás nitrogênio ............................................................................... 159
Figura 6.10
- Configuração experimental montada para o ensaio de difusão com
concentração variável na fonte ........................................................ 160
Figura 6.11
- Configuração experimental montada para o ensaio de difusão com
concentração constante na fonte ...................................................... 161
Figura 6.12
- Gráfico que apresenta a concentração do concentração do
oxigênio considerando a umidade relativa e a temperatura do
sistema ............................................................................................. 164
Figura 6.13
- Posicionamento dos ensaios de triplicata com relação à curva de
compactação .................................................................................... 168
xvii
Figura 6.14
- Posicionamento dos ensaios de secagem e umedecimento com
relação à curva de compactação ...................................................... 169
Figura 6.15
- Posicionamento de todos os ensaios da Cinza Grossa com relação
à curva de compactação ...................................................................
170
Figura 6.16
- Posicionamento de todos os ensaios da Jazida Empresa com
relação à curva de compactação ...................................................... 171
Figura 6.17
- Posicionamento de todos os ensaios da Jazida Picollo com relação
à curva de compactação ...................................................................
171
Figura 6.18
- Ensaio de consumo em célula simples ............................................ 173
Figura 7.1 - Teste de estanqueidade da célula e dos sensores de oxigênio ......... 177
Figura 7.2 - Influência da umidade relativa na resposta do sensor, onde a)
célula com ar úmido; b) célula com ar seco; c) célula com ar seco
+ água; d) célula com ar + solo úmido ............................................ 178
Figura 7.3 - Influência da umidade relativa na resposta dos sensores com
monitoramento contínuo do sensor (a) e da temperatura ambiente
na célula com água (b) .....................................................................
180
Figura 7.4 - Capacidade de adsorção de água por parte da sílica ....................... 181
Figura 7.5 - Influência da umidade relativa na resposta dos sensores com e
sem membrana de sílica (a) e da temperatura ambiente na célula
com água (b) .................................................................................... 183
Figura 7.6 - Influência do solo na resposta dos sensores com monitoramento
contínuo (a) e da temperatura ambiente (b) .....................................
184
Figura 7.7 - Decréscimo da concentração no ensaio de difusão com
concentração variável, onde (a) corresponde ao ensaio 22 da
Cinza Grossa (S=0,94%) e (b) ensaio 10 da Jazida Picollo
(S=0,82%) ........................................................................................
185
Figura 7.8 - Resultado do ensaio de difusão para a Cinza Grossa (ensaio 7),
sob massa finita (concentração variável) representada pelos
pontos experimentais em azul e concentração constante em rosa ... 187
Figura 7.9 - Resultado do ensaio 7 realizado na Cinza Grossa (S = 0,73) e a
modelagem no programa POLLUTE: (a) variando o coeficiente
de difusão e mantendo o perfil do solo e considerando o consumo
de gás e (b) mantendo D* de 85 m
2
/s e variando o perfil de
concentração no solo (PS), concentração no solo igual ao
reservatório de coleta (CC), concentração no solo igual ao
reservatório fonte (CF) e o consumo (DC) ......................................
188
xviii
Figura 7.10
- Ensaio de difusão realizado com a Jazida Picollo com saturação
de 0,94 (linha contínua). E a modelagem no programa POLLUTE,
(a) variando o coeficiente de difusão e (b) variando o Perfil de
concentração no solo (PS), concentração no solo igual ao
reservatório de coleta (CC), concentração no solo igual ao
reservatório fonte (CF) e o consumo (DC) representada por
símbolos ...........................................................................................
189
Figura 7.11
- Posicionamento dos ensaios da Cinza Grossa com relação à curva
de compactação e seus respectivos coeficientes de difusão ............ 190
Figura 7.12
- Posicionamento dos ensaios da Jazida Empresa com relação à
curva de compactação e seus respectivos coeficientes de difusão .. 192
Figura 7.13
- Posicionamento dos ensaios da Jazida Picollo com relação à curva
de compactação e seus respectivos coeficientes de difusão ............ 193
Figura 7.14
- Teste da repetibilidade no mesmo corpo de prova para o ensaio 8
com a cinza grossa onde em (a) teste 1 e (b) teste 2 ....................... 195
Figura 7.15
- Representação gráfica da concentração normalizada de oxigênio
com o tempo para os ensaios 10 (a), 11 (b) e 12(c) na cinza grossa
correspondente ao segundo ensaio de triplicata .............................. 196
Figura 7.16
- Resultados dos ensaios de difusão com a Jazida Empresa
esterilizada com formaldeído (a) e normal (b) ................................ 198
Figura 7.17
- Resultados dos ensaios de difusão com a Jazida Picollo
esterilizada com formaldeído (a) e normal (b) ................................ 199
Figura 7.18
- Resultados dos ensaios de difusão com a Cinza Grossa
esterilizada com formaldeído (a) e normal (b) ................................ 200
Figura 7.19
- Coeficientes de difusão efetivos obtidos nos ensaios de secagem e
umedecimento com relação à curva de compactação para a Cinza
Grossa .............................................................................................. 201
Figura 7.20
- Coeficientes de difusão efetivos obtidos nos ensaios de secagem e
umedecimento para a Cinza Grossa com relação ao grau de
saturação .......................................................................................... 201
Figura 7.21
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar segundo
ajuste linear, potência, exponencial e TROEH et al. (1982) ........... 202
Figura 7.22
- Coeficientes de difusão medidos nos ensaios de difusão e
previstos segundo vários ajustes da literatura (a); e as curvas
teóricas de coeficiente de difusão versus grau de saturação
previstas a partir dos ajustes da literatura para os ensaios
realizados com a Cinza Grossa (b) para os ensaios de
umedecimento e secagem ................................................................
203
xix
Figura 7.23
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos; e (c) relação entre a saturação e o
coeficiente de difusão e a sucção obtidos na célula de difusão para
a Jazida Empresa ............................................................................. 205
Figura 7.24
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos; e (c) relação entre sucção e a
saturação obtidos na célula de difusão para a Jazida Picollo .......... 206
Figura 7.25
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos; e (c) relação entre sucção e a
saturação obtidos na célula de difusão para a Cinza Grossa ........... 207
Figura 7.26
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos para a Jazida Empresa ........................
210
Figura 7.27
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a
Jazida Empresa segundo ajustes lineares e não lineares ................. 211
Figura 7.28
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos para a Jazida Picollo .......................... 212
Figura 7.29
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a
Jazida Picollo segundo ajustes lineares e não lineares .................... 213
Figura 7.30
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos para a Cinza Grossa ........................... 214
Figura 7.31
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a
Cinza Grossa segundo ajustes lineares e não lineares ..................... 215
Figura 7.32
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos com Cinza Grossa de porosidade 0,4 .
216
Figura 7.33
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a
Cinza Grossa com porosidade de 0,4 segundo ajustes lineares e
não lineares ...................................................................................... 217
xx
Figura 7.34
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o
coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos e a
partir de modelos empíricos para os ensaios com Cinza Grossa de
porosidade 0,5 ................................................................................. 218
Figura 7.35
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a
Cinza Grossa com porosidade de 0,5 segundo ajustes lineares e
não lineares ...................................................................................... 219
Figura 7.36
- Coeficiente de difusão em função da massa especifica seca (a) e a
porosidade (b) para a Jazida Picollo, Jazida Empresa e Cinza
Grossa .............................................................................................. 220
Figura 7.37
- Coeficiente de difusão efetivo em função teor de umidade
volumétrico (a) e gravimétrico (b) para a Jazida Empresa, Jazida
Picollo e Cinza Grossa .................................................................... 221
Figura 7.38
- Coeficiente de difusão efetivo em função teor dos poros
preenchidos por ar para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza
Grossa .............................................................................................. 222
Figura 7.39
- Coeficiente de difusão efetivo (símbolo preenchido) e total
(símbolo vazado) em função do grau de saturação para a Jazida
Picollo, Jazida Empresa e Cinza Grossa
.............................................
222
Figura 7.40
- Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos
com os estimados pelos modelos empíricos e em (b) correlação
entre o coeficiente de difusão e a saturação com os dados obtidos
e a partir de modelos empíricos para todos os ensaios
realizados..........................................................................................
224
Figura 7.41
- Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar com
todos os solos reunidos..................................................................... 225
Figura 7.42
- Ensaio de difusão no Rejeito Fino Peneirado (a) concentração
variável na fonte e (b) concentração variável na fonte teste 2 e
concentração constante..................................................................... 226
Figura 7.43
- Comparação do resultado do coeficiente de difusão obtido com
relação a alguns modelos da literatura para o Rejeito Fino
Peneirado ......................................................................................... 226
Figura 7.44
- Consumo no ensaio de difusão 23-A da Cinza Grossa, onde em
(a) realizado com membrana de sílica e em (b) sem membrana de
sílica .................................................................................................
228
Figura 7.45
- Consumo no ensaio de difusão 24-A da Cinza Grossa, onde em
(a) realizado com membrana de sílica e em (b) sem membrana de
sílica . ...............................................................................................
229
xxi
Figura 7.46
- Consumo no ensaio de difusão 11 da Jazida Empresa, onde em (a)
realizado com membrana de sílica e em (b) sem membrana de
sílica .................................................................................................
230
Figura 7.47
- Consumo no ensaio de difusão 15 da Jazida Empresa, onde em (a)
realizado com membrana de sílica e em (b) sem membrana de
sílica .................................................................................................
231
Figura 7.48
- Consumo no ensaio de difusão da Jazida Picollo, onde em (a)
ensaio 2 e em (b) ensaio 5 utilizando a membrana de sílica ........... 232
Figura 7.49
- Taxa máxima de consumo (a) Cinza Grossa, (b) Jazida Picollo e
(c) Jazida Empresa ......................................................................... 233
Figura 7.50
- Variação da soma das concentrações do reservatório fonte e coleta
para a Cinza Grossa (a), Jazida Empresa (b) e Jazida Picollo (c),
onde N – condição normal e F – condição esterilizada com
formaldeído ..................................................................................... 235
Figura 7.51
- Ensaio de difusão no rejeito considerando o fator de correção 1
(relação da altura dos reservatórios com a altura do solo) e o fator
de correção 2 (grau de saturação) para o Rejeito Fino Peneirado ... 237
Figura 7.52
- Consumo na célula de difusão depois de cessado o ensaio de
concentração constante na fonte no Rejeito Fino Peneirado,
destacando a leitura dos sensores do reservatório fonte e coleta
com o tempo ....................................................................................
238
Figura 7.53
- Ensaio de taxa máxima de consumo para o Rejeito Fino Peneirado
239
Figura 7.54
- Variação da concentração normalizada com o tempo nos quatro
sensores utilizados na tese, e o ajuste correspondente .................... 248
Figura 8.1 - Curvas de retenção solo água utilizada como dado de entrada para
o programa SOILCOVER ............................................................... 253
Figura 8.2 - Desenho esquemático com as condições simuladas ........................ 255
Figura 8.3 - Dados climáticos da Estação Experimental de Urussanga
(EPAGRI) iniciados em Jan/2000 e concluído em Dez/2004,
onde: (a) temperatura máxima e mínima do ar, (b) umidade
relativa máxima e mínima do ar, e (c) precipitação e -
evapotranspiração potencial considerando os dados mensais ......... 256
Figura 8.4 - Dados climáticos da Estação Experimental de Urussanga
(EPAGRI) iniciados em Jan/2000 e concluídos em Dez/2004 com
a precipitação acumulada em (a) e evapotranspiração potencial
acumulada em (b) ............................................................................
257
Figura 8.5 - Fluxo de água acumulado no resíduo no período de 2000 – 2004 .. 260
Figura 8.6 Grau de saturação no resíduo no ano de 2001 (úmido) e no ano de
2003 (seco) ...................................................................................... 261
xxii
Figura 8.7 - Fluxo de água acumulado na cobertura com 30 cm da Jazida
Empresa compactada no período de 2000 – 2004 ........................... 262
Figura 8.8 - Cobertura com 30 cm da Jazida Empresa compactada no ano de
2001 (úmido), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil
de concentração de oxigênio ........................................................... 262
Figura 8.9 - Cobertura com 30 cm da Jazida Empresa compactada no ano de
2003 (seco), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de
concentração de oxigênio ................................................................ 262
Figura 8.10
- Fluxo de água acumulado na cobertura com 30 cm de Rejeito
Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de
Cinza Grossa no período de 2000 – 2004 ....................................... 263
Figura 8.11
- Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida
Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa no ano de 2001
(úmido), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de
concentração de oxigênio ................................................................ 264
Figura 8.12
- Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida
Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa no ano de 2003
(seco), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de
concentração de oxigênio ................................................................ 264
Figura 8.13
- Fluxo de água acumulado na cobertura com 40 cm da Jazida
Picollo fofa, 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida
Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada
acrescida de vegetação no período de 2000 – 2004 ........................ 265
Figura 8.14
- Cobertura com 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30 cm de Rejeito
Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de
Cinza Grossa compactada acrescida de vegetação no ano de 2001
(úmido), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de
concentração de oxigênio ................................................................ 266
Figura 8.15
- Cobertura com 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30 cm de Rejeito
Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de
Cinza Grossa compactada acrescida de vegetação no ano de 2003
(seco), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de
concentração de oxigênio ................................................................ 266
Figura 8.16
- Fluxo de água acumulado na cobertura 30 cm de Rejeito Fino
Peneirado, 30 cm da Jazida Picollo compactada e 30 cm de Cinza
Grossa compactada no período de 2000 – 2004 .............................
268
Figura 8.17
- Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida
Picollo compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada no ano
de 2001 (úmido), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b)
perfil de concentração de oxigênio ................................................. 268
xxiii
Figura 8.18
- Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida
Picollo compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada no ano
de 2003 (seco), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil
de concentração de oxigênio .......................................................... 268
Figura 8.19
- Diagrama esquemático mostrando a variação da concentração do
oxigênio a partir da cobertura não reativa e dos rejeitos reativos
(NICHOLSON et al., 1989) ............................................................ 270
Figura 8.20
- Coeficiente de difusão na cobertura em função do grau de
saturação para o solo Jazida Empresa (a) e em (b) Eficiência da
cobertura em função do coeficiente de difusão na cobertura .......... 272
Figura 8.21
-
Fluxo de oxigênio pela cobertura de 30 cm de espessura em
função do grau de saturação ..........................................................
273
Figura 8.22
- Variação da eficiência da cobertura em função do coeficiente de
difusão do solo Jazida Empresa para as espessuras de 0,3, 0,6 e
1,0 m ................................................................................................ 273
xxiv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 - Fatores que controlam a geração de acidez em pilhas de estéreis e
lagoas de decantação (EPA, 1994) .................................................
10
Tabela 2.2 - Componentes possíveis em um sistema de cobertura (modificado
de DANIEL & KOERNER, 1993) .................................................
13
Tabela 2.3 - Classificação das coberturas secas de acordo com o papel que
exercem para efeito de inibição da DAM e suas principais
características (modificado de VANAPALLI et al., 1996) ............
14
Tabela 2.4 - Sistema básico de cobertura com solo apresentado por O’KANE
et al. (2002) ....................................................................................
15
Tabela 2.5 - Fatores controladores da estrutura inicial e final dos solos
(VANAPALLI et al., 1996) ...........................................................
16
Tabela 3.1 - Índices físicos e suas relações ........................................................
18
Tabela 3.2 - Técnicas para a medição da sucção, valores e tempo para
medição (modificado de MARINHO & PEREIRA, 1998) ............
22
Tabela 3.3 - Proposições para modelagem da curva de retenção (modificado
de GERSCOVICH, 2001) ..............................................................
23
Tabela 3.4 - Códigos Numéricos para modelagem de processos físicos
relevantes na geração de drenagem ácida, modificado de
DESTOUNI et al. (1998) ...............................................................
27
Tabela 3.5 - Processos relacionados ao fluxo de substâncias em meio poroso...
28
Tabela 3.6 - Coeficiente de difusão na condição padrão de temperatura (25
0
C)
e pressão atmosférica (HILLEL, 1998) ..........................................
42
Tabela 4.1 - Resumo da produção da usina de beneficiamento da Unidade
Mineira Verdinho II (CARBONÍFERA CRICIÚMA S. A.
informação pessoal, junho de 2003) ...............................................
51
Tabela 4.2 - Produção de rejeitos no mês de junho de 2003 (CARBONÍFERA
CRICIÚMA S.A. informação pessoal, junho de 2003) ..................
52
Tabela 4.3 - Cálculo do percentual de resíduo seco na produção e no depósito
de rejeito (CARBONÍFERA CRICIÚMA S.A. informação
pessoal, junho de 2003) ..................................................................
53
xxv
Tabela 4.4 - Resumo das amostras coletadas, peso de amostra seca, origem e
instituição que executou a coleta ....................................................
54
Tabela 4.5 - Resumo dos ensaios, método, quantidade de amostra e pré
tratamento das amostras .................................................................
64
Tabela 4.6 - Ensaios realizados com o material coletado ...................................
65
Tabela 4.7 - Locais de realização dos ensaios ....................................................
66
Tabela 5.1 - Síntese dos ensaios de campo realizados durante a coleta .............
83
Tabela 5.2 - Resultados dos ensaios de campo ...................................................
83
Tabela 5.3 - Resultados do ensaio de umidade ...................................................
84
Tabela 5.4 - Resultados do ensaio de densidade real dos grãos (G
s
) ..................
85
Tabela 5.5 - Classificação e percentual de pedregulho, areia, silte e argila dos
diferentes materiais estudados (de acordo com a NBR 7181/84) ..
85
Tabela 5.6 - Resultados dos limites de consistência e classificação SUCS dos
solos e rejeitos coletados ................................................................
88
Tabela 5.7 - Resumo dos parâmetros obtidos a partir curva de compactação
dos diferentes materiais ensaiados .................................................
88
Tabela 5.8 - Estudo da variação do índice de vazios nas amostras arenosas
coletadas .........................................................................................
90
Tabela 5.9 - Permeabilidade em diferentes teores de umidade de moldagem do
corpo de prova ................................................................................
90
Tabela 5.10
- Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos
utilizando a Equação de FREDLUND & XING (1994) para os
ensaios moldados no campo ...........................................................
92
Tabela 5.11
- Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos
utilizando a Equação de FREDLUND & XING (1994) para a
Jazida Empresa ...............................................................................
93
Tabela 5.12
- Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos
utilizando a Equação de FREDLUND & XING (1994) para a
Jazida Picollo ..................................................................................
96
Tabela 5.13
- Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos
utilizando a Equação de FREDLUND & XING (1994) para a
Cinza Grossa ..................................................................................
98
xxvi
Tabela 5.14
- Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos
utilizando a Equação de FREDLUND & XING (1994) para a
Cinza Fina ......................................................................................
101
Tabela 5.15
- Ajuste linear da umidade gravimétrica normalizada pela
capacidade de sucção versus sucção para os materiais estudados e
segundo MARINHO (1994a) .........................................................
104
Tabela 5.16
- Indicação da aplicação dos materiais estudados como
componentes de cobertura ..............................................................
104
Tabela 5.17
- Características geotécnicas dos corpos de prova na moldagem e
após o ensaio de adensamento ........................................................
105
Tabela 5.18
- Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação
volumétrica obtidos para a Jazida Empresa nos quatro ensaios
executados ......................................................................................
106
Tabela 5.19
- Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação
volumétrica obtidos para a Jazida Picollo nos quatro ensaios
executados ......................................................................................
107
Tabela 5.20
- Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação
volumétrica obtidos para a Cinza Grossa nos quatro ensaios
executados ......................................................................................
108
Tabela 5.21
- Valores de pH, condutividade elétrica (CE) e teor de matéria
orgânica (TMO) para os diferentes materiais ensaiados ................
109
Tabela 5.22
- Teores de carbono total, carbono orgânico, nitrogênio e
hidrogênio elementar, acrescida da relação C:N ............................
110
Tabela 5.23
- Resultado da análise dos cátions trocáveis dos solos coletados e
dos rejeitos fino decantado e peneirado .........................................
111
Tabela 5.24
- Resultado do ataque sulfúrico dos solos coletados e dos rejeitos
finos decantado e peneirado em (g/kg). .........................................
112
Tabela 5.25
- Resultados da fluorescência de raios X e teores de enxofre dos
diferentes solos e rejeitos................................................................
113
Tabela 5.26
- Resultado do ensaio de lixiviação para os diversos rejeitos
estudados ........................................................................................
114
Tabela 5.27
- Resultado do ensaio de solubilização para os diversos rejeitos
estudados ........................................................................................
114
xxvii
Tabela 5.28
- Resultados do potencial de neutralização, de produção de acidez
e o produto do potencial de neutralização dos diferentes resíduos
estudados ........................................................................................
117
Tabela 5.29
- Mineralogia dos materiais estudados ……………………………
119
Tabela 5.30
- Índices físicos das amostras analisadas no MEV e ensaios de
difusão correspondentes .................................................................
120
Tabela 5.31
- Resultados de limites de Atterberg, densidade real dos grãos e
teor de matéria orgânica da Jazida Empresa, Jazida Picollo e
Turfa autoclavada e não autoclavada .............................................
125
Tabela 5.32
- Número de unidades formadoras de colônias no estado natural,
após secagem e umedecimento por dois dias e por sete dias .........
126
Tabela 5.33
- Avaliação do número de unidades formadoras de colônia após a
esterilização por autoclavagem, e com a adição de composto
orgânico azida sódica (5%) e formaldeído (3%) ............................
127
Tabela 5.34
- Avaliação do número de unidades formadoras de colônia no
material esterilizado com formaldeído (3%) e no material em
estado natural após o ensaio de difusão .........................................
127
Tabela 5.35
- Principais características geotécnicas dos materiais ensaiados ......
129
Tabela 6.1 - Formulação matemática apresentada por YANFUL (1993), pelo
programa POLLUTE v 6.0 e AACHIB et al. (2004) para a
obtenção do coeficiente de difusão ................................................
138
Tabela 6.2 - Dados de entrada utilizados para a obtenção da curva de ajuste
utilizando o programa POLLUTE para o ensaio de concentração
variável (massa finita) ou constante na fonte .................................
141
Tabela 6.3 - Equações empíricas desenvolvidas para a previsão do coeficiente
de difusão de gás no solo ................................................................
143
Tabela 6.4 - Modelos Lineares e Não Lineares empíricos de ajuste dos dados
experimentais com relação a difusividade .....................................
147
Tabela 6.5 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Cinza
Grossa .............................................................................................
166
Tabela 6.6 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Jazida
Empresa ..........................................................................................
167
Tabela 6.7 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Jazida
Picollo .............................................................................................
167
xxviii
Tabela 6.8 - Características dos ensaios de difusão realizados com o Rejeito
Fino Peneirado ................................................................................
167
Tabela 7.1 - Características de moldagem nos ensaios da Cinza Grossa e
valores de coeficiente de difusão obtidos a partir da interpretação
do ensaio .........................................................................................
191
Tabela 7.2 - Características de moldagem nos ensaios da Jazida Empresa e
valores de coeficiente de difusão e de tempo de meia vida obtidos
a partir da interpretação do ensaio ..................................................
192
Tabela 7.3 - Características de moldagem nos ensaios da Jazida Picollo e
valores de coeficiente de difusão e de tempo de meia vida obtidos
a partir da interpretação do ensaio ..................................................
193
Tabela 7.4 - Característica de moldagem do Rejeito Fino Peneirado e valores
de coeficiente de difusão e de tempo de meia vida obtidos a partir
da interpretação do ensaio ..............................................................
193
Tabela 7.5 - Característica dos corpos de prova moldados e coeficiente de
difusão e taxa de reação encontrada para a Jazida Empresa,
Jazida Picollo e Cinza Grossa na condição esterilizada (F) e
normal (N) ......................................................................................
197
Tabela 7.6 - Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os
ensaios com a Cinza Grossa nas condições de secagem e
umedecimento ................................................................................
202
Tabela 7.7 - Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com
a Cinza Grossa nas condições de secagem e umedecimento .........
204
Tabela 7.8 - Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com
a Jazida Empresa nas condições do ensaio com medida de sucção
208
Tabela 7.9 - Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com
a Jazida Picollo nas condições do ensaio com medida de sucção .
208
Tabela 7.10
- Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios
da Jazida Empresa ..........................................................................
210
Tabela 7.11
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos
os ensaios da Jazida Empresa .........................................................
211
Tabela 7.12
- Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios
da Jazida Picollo .............................................................................
212
Tabela 7.13
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos
os ensaios da Jazida Picollo ...........................................................
213
xxix
Tabela 7.14
- Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios
da Cinza Grossa ..............................................................................
215
Tabela 7.15
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos
os ensaios da Cinza Grossa ............................................................
215
Tabela 7.16
- Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com
Cinza Grossa de porosidade 0,4 .....................................................
217
Tabela 7.17
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os
ensaios com Cinza Grossa de porosidade 0,4 ................................
217
Tabela 7.18
- Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com
Cinza Grossa de porosidade 0,5 .....................................................
219
Tabela 7.19
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os
ensaios com Cinza Grossa de porosidade 0,5 ................................
219
Tabela 7.20
- Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios
realizados ........................................................................................
223
Tabela 7.21
- Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos
os ensaios realizados ......................................................................
223
Tabela 7.22
- Taxa de consumo (K) e tempo de meia vida (t
1/2
) obtido no
ensaio de taxa máxima de consumo para a Cinza Grossa, Jazida
Empresa e Jazida Picollo ................................................................
234
Tabela 7.23
- Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a
partir do ensaio de difusão no Rejeito Fino Peneirado
.....................
238
Tabela 7.24
- Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado
após cessado o ensaio com concentração constante na fonte .........
238
Tabela 7.25
- Constantes propostas por NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al. (1994) e as obtidas segunda a regressão não linear dos
diversos ensaios ..............................................................................
242
Tabela 7.26
- Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a
partir do ensaio de difusão na Cinza Grossa ..................................
246
Tabela 7.27
- Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a
partir do ensaio de difusão na Jazida Empresa ...............................
247
Tabela 7.28
- Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a
partir do ensaio de difusão na Jazida Picollo .................................
247
Tabela 8.1 - Propriedades dos materiais usados na simulação ...........................
252
xxx
Tabela 8.2 - Síntese do fluxo de oxigênio (g/m
2
) no ano de 2001 utilizando
diferentes modelos, parâmetros de ajuste e gradiente de
concentração ...................................................................................
258
Tabela 8.3 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001
(úmido), 2003 (seco) e no período de 2000a 2004 no resíduo
descoberto .......................................................................................
260
Tabela 8.4 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001
(úmido), 2003 (seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 1
263
Tabela 8.5 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001
(úmido), 2003 (seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 2
264
Tabela 8.6 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001
(úmido), 2003 (seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 3
266
Tabela 8.7 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001
(úmido), 2003 (seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 4.
269
Tabela 8.8 - Equações que regem o fluxo de gás em sistema composto por
resíduo e cobertura segundo NICHOLSON et al. (1989) ..............
270
xxxi
ÍNDICE DE SIGLAS
A - areia
ABA - balanço ácido-base
AD - solo antigo depósito
AEV - valor de entrada de ar
APP - potencial de produção de acidez
CETEM - Centro de Tecnologia Mineral
CE - condutividade elétrica
CF - cinza volante ou cinza fina
CG - cinza grossa
CL - argila de baixa compressibilidade
CTA - capacidade de troca de ânions
CTC - capacidade de troca de cátions
DAM - drenagem ácida de minas
DC - influência da atividade microbiológica
DM - desvio médio absoluto
Eh - potencial redox
EPAGRI - Estação Experimental de Urussanga
ER - Extrator de Richards
FDE - método de diferenças finitas
FEM - método de elementos finitos
FEM N-R - método Newton-Raphson
GC - pedregulho com finos
GMER – erro da média geométrica
GW - pedregulho bem graduado
IFDM - método de diferenças finitas integradas
JE - solo jazida empresa
xxxii
JP - solo jazida picollo
MEND - Mine Environment Neutral Drainage
MEV - microscópio eletrônico de varredura
ML - silte de baixa compressibilidade
NNP - produto do potencial de neutralização
PADR - programa de aquisição de dados
PEAD - polietileno coextrudado
PEMF - polietileno muito flexível
PF - papel filtro
PN - potencial de neutralização
PPF - polipropileno flexível
PVC – poli cloreto de vilina
R1 - rejeito piritoso
R
2
- coeficiente de correlação linear
R2 - rejeito misto com pouco carvão
R3 - rejeito misto com mais carvão
RFD - rejeito fino decantado
RFP - rejeito fino peneirado
RG - rejeito grosso
ROM - carvão bruto
RPF - rejeito passante fino
SM - areia siltosa
SP - areia mal graduada
SUCS - sistema unificado de classificação de solos
T - turfa
TMO - teor de matéria orgânica
TSA - Triptcase Soil Agar
UFC - unidades formadoras de colônias
∆pH – variação do pH
xxxiii
ÍNDICE DE SÍMBOLOS
a - parâmetro de ajuste MARINHO (1994) ou FREDLUND & XING (1994) ou
modelos Linear, Potência ou Exponencial para calculo da difusividade
A
s
- área da seção transversal da amostra ou área de contato (L
2
)
a
v
- coeficiente de compressibilidade (M
-1
LT
2
)
b – parâmetro de ajuste de modelos Linear, Potência ou Exponencial para calculo da
difusividade
C - concentração do gás ou concentração da espécie química por unidade de volume
(ML
-3
)
C
ψ
- capacidade de sucção (adimensional)
C (L,t) – concentração no reservatório de coleta com o tempo (ML
-3
)
C
0
- concentração inicial (ML
-3
)
C
a
- máxima concentração de oxigênio no ar, 276,7 mg/L (ML-3)
C
L
– concentração de oxigênio na interface entre o material de cobertura e os rejeitos
(MT
-1
)
C
p
- conteúdo de pirita na massa do resíduo, kg/kg (MM
-1
)
C
s
- concentração de gás no solo no contato com a atmosfera (ML
-3
)
C
t
- concentração do reagente como função do tempo t de reação (ML
-3
)
CU - coeficiente de uniformidade (adimensional)
c
v
- coeficiente de adensamento (L
2
T
-1
)
C
w
- máxima concentração de oxigênio na água, 9,2 mg/L (ML
-3
)
D - coeficiente de difusão efetivo (L
2
T
-1
)
d - diâmetro do poro (L)
D
*
- coeficiente de difusão total (L
2
T
-1
)
D/D
0-ar
- difusividade relativa (adimensional)
D
0
– coeficiente de difusão do gás em solução livre em condições normais de
temperatura e pressão (L
2
T
-1
)
D
0-ar
- coeficiente de difusão do gás no ar (L
2
T
-1
)
D
0-w
- coeficiente de difusão do gás na água (L
2
T
-1
)
D
10
- diâmetro efetivo correspondente a 10% dos grãos passantes na curva
granulométrica (L)
D
60
- diâmetro efetivo correspondente a 60% dos grãos passantes na curva
granulométrica (L)
D
a
– coeficiente de difusão ordinária ou de Fick (L
2
T
-1
)
D
ak
– coeficiente de difusão de Knudsen (L
2
T
-1
)
D
ar
- coeficiente de difusão efetivo do gás no gás do solo (L
2
T
-1
)
D
C
– coeficiente de difusão efetivo do material de cobertura (L
2
T
-1
)
d
e
- variação linear do índice de vazios (adimensional)
D
T
- coeficiente de difusão na temperatura do ensaio (L
2
T
-1
)
D
T,P
- coeficiente de difusão na T e P do ensaio (L
2
T
-1
)
xxxiv
D
w
– é o coeficiente de difusão do gás na água do solo(L
2
T
-1
)
e - índice de vazios (adimensional)
e
0
- índice de vazios inicial (adimensional)
E
C
– eficiência do sistema de cobertura (adimensional)
F - fluxo de massa ou da espécie química (ML
-2
T
-1
)
F
0
- Fluxo no sistema descoberto no estado estacionário rejeito (ML
-2.
T
-1
);
F
C
- fluxo difusivo a partir da cobertura sem consumo de oxigênio (ML
-2
.T
-1
);
F
i
- fluxo difusivo unidimensional do componente i (ML
-2
T
-1
)
F
k1
– Fator de correção 1 (adimensional)
F
k2
- Fator de correção 2 para S ≥ 0,7 F
k2
= 1,05 e para S < 0,7 F
k2
= 1,12
(adimensional)
F
L
- fluxo difusivo entre o material de cobertura e o rejeito (ML
-2.
T
-1
);
g - aceleração da gravidade (LT
-2
)
G
s
- densidade real dos grãos (adimensional)
h - altura da lâmina de água incluindo a camada de solo (L)
H - constante de solubilidade de um gás na água ou contante equilíbrio de Henry, 0,003
(adimensional)
H
B
- altura de solo (L)
hB
- espaço vazio abaixo do solo (L)
h
c
- altura capilar em metro de coluna de água (L)
H
g
- altura do gás acima da amostra (L)
H
L
- altura do percolante – oxigênio (L)
i - intensidade da chuva, mm (L)
I
P
- Índice de Plasticidade (adimensional)
K – taxa de consumo de oxigênio pelo sulfeto (reação de primeira ordem) ou de
decaimento radiativo ou biológico (reação de primeira ordem) ou taxa de reação (T
-1
)
K (Ψ) - permeabilidade não saturada (LT
-1
)
K* - taxa de consumo total de oxigênio pelo sulfeto (reação de primeira ordem) – (T
-1
)
K’ - reatividade da pirita com o oxigênio (L
3
L
-2
T
-1
)
Ks - permeabilidade saturada (LT
-1
)
L - comprimento do corpo de prova ou amostra ou espessura da cobertura (L)
L
c
– altura do reservatório de coleta (L)
L
e
- comprimento médio do tubo capilar (L)
L
s
- comprimento do tubo sinuoso de diâmetro uniforme (L)
m - parâmetro de ajuste FREDLUND & XING (1994) ouVAN GENUCHTEN (1980)
M
a
- massa de água (M)
M
A
- massa molar do componente (N)
M
s
- massa de sólidos (M)
Mv - coeficiente de variação volumétrica, KPa
-1
(MLT
-2
)
n - constante que varia de 1,5 a 2 segundo CURRIE (1960a)
N - número de pares de valores (O
i
, P
i
)
xxxv
n - parâmetro de ajuste GARDNER (1958), FREDLUND & XING (1994) ou VAN
GENUCHTEN (1980)
n - porosidade total (adimensional - L
3
L
-3
)
n
B
- poros preenchidos por ar (adimensional - L
3
L
-3
)
O
i
- valor experimental observado
O
m
- média dos valores experimentais observados
p - pressão do ensaio (ML
-1
T
-2
)
p
0
- pressão atmosférica (ML
-1
T
-2
)
P
i
- valor previsto
P
m
- média dos valores previstos
q - parâmetros de ajuste GARDNER (1958)
Q - vazão de alimentação (L
3
T
-1
)
R - constante de Reynoult JK/mol (ML
2
T
-2
ΘN
-1
)
r - raio do poro (L)
S - grau de saturação total (adimensional - L
3
L
-3
)
s - inclinação da curva que tangencia a inflexão da curva característica (MLT
-2
)
S
a
- grau de saturação de ar (adimensional - L
3
L
-3
)
S
m
- parcela de massa adsorvida ou dessorvida (M)
S
r
- grau de saturação residual (adimensional - L
3
L
-3
)
S
w
- grau de saturação de água (adimensional - L
3
L
-3
)
t - tempo (T)
t*
1/2
- meia vida total (T
-1
)
t
1/2
– tempo de meia vida (T
-1
)
T
k
- temperatura absoluta (Θ)
T
s
- tensão superficial da água, 0,073 N/m
2
a 20
0
C (MT
-2
)
u – parâmetro de ajuste TROEH et al. (1982)
u
a
- pressão do ar (MLT
-2
)
U
a
- velocidade da espécie A (LT
-1
)
u
w
- pressão da água (MLT
-2
)
v – parâmetro de ajusteTROEH et al. (1982)
v - velocidade de infiltração no solo saturado (LT
-1
)
V - Volume total ou volume de gás no reservatório (L
3
)
v
a
- velocidade linear de advecção (LT
-1
)
V
a
- volume de ar (L
3
)
v
i
- velocidade de infiltração no solo não saturado (LT
-1
)
V
s
- volume de sólidos (L
3
)
V
V
- volume de vazios (L
3
)
V
w
- volume de água (L
3
)
w - teor de umidade gravimétrico (adimensional)
w - umidade do papel filtro (adimensional)
w
L
- Limite de Liquidez (adimensional)
xxxvi
w
ótm
- umidade ótima de compactação (adimensional)
w
P
- Limite de Plasticidade (adimensional)
x - profundidade no interior do solo (L)
y - variável de integração que representa o logaritmo da sucção
Z - profundidade (L)
α - parâmetro de ajuste VAN GENUCHTEN (1980)
λ - decaimento radiativo ou termo de reação cinética (T
-1
) ou parâmetro de ajuste
BROOKS & COREY (1964)
λ
lm
- caminho livre médio (L)
Θ - teor de umidade normalizado (adimensional)
θ’ - primeira derivada da Equação FREDLUND e XING (1994) para a curva
característica
θ
a
- teor de ar volumétrico ou conteúdo de ar (adimensional - L
3
.L
-3
)
θ
eq
- conteúdo equivalente (adimensional - L
3
.L
-3
)
θ
r
– teor de umidade volumétrico residual (adimensional - L
3
.L
-3
)
θ
s
- teor de umidade volumétrico saturado na curva de secagem (adimensional - L
3
.L
-3
)
θ
s
’
- teor de umidade volumétrico saturado na curva de umedecimento (adimensional -
L
3
.L
-3
)
θ
w
- teor de umidade volumétrico (adimensional - L
3
.L
-3
)
ρ
s
- massa específica aparente seca (ML
-3
)
ρ
s máx
- massa específica seca aparente máxima (ML
-3
)
ρ
w
- massa específica da água (ML
-3
)
ΣL
r
– Altura dos reservatórios (L)
σ
v
- variação linear da tensão vertical (MLT
-2
)
τ - fator de tortuosidade (adimensional - L
3
.L
-3
)
τ
a
– fator de tortuosidade do gás no ar (adimensional - L
3
.L
-3
)
τ
w
- fator de tortuosidade do gás na água (adimensional - L
3
.L
-3
)
ψ - potencial total ou potencial total da água no solo (MLT
-2
, LT
-2
, L)
Ψ- sucção (MLT
-2
)
Ψ
AEV
- sucção correspondente ao ponto de entrada de ar (MLT
-2
)
Ψ
b
- intercepto da reta tangente a curva característica e o eixo da sucção (MLT
-2
)
Ψ
i
e θ
i
- coordenadas correspondentes ao ponto de inflexão da curva característica
Ψ
r
e θ
r
- coordenadas correspondentes ao ponto onde a curva de retenção passa a
decrescer lineamente até 10
6
kPa
ψ
g
- Potencial gravitacional
ψ
m
- Potencial matricial
ψ
os
- Potencial osmótico
ψ
p
- Potencial de pressão
1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Motivação da pesquisa
O Brasil explora há mais de 140 anos as suas reservas de carvão mineral. O uso do
carvão para fins metalúrgicos e energéticos foi estimulado por muitos anos. Atualmente,
o principal uso é para a termoeletricidade, que contribui de forma pouco significativa na
matriz energética e seu consumo encontra-se estabilizado.
A Bacia Carbonífera Sul Catarinense, em 1980 e 1990, produziu aproximadamente 70%
do carvão do país e atualmente é responsável por 50% da produção. As camadas de
carvão desta região caracterizam-se por apresentarem aproximadamente 65% de rejeito
e 35% de produto com teor elevado de pirita (sulfeto de ferro). Durante vários anos,
estes resíduos foram utilizados como material de empréstimo para aterros, dispostos ao
longo dos cursos de água, sobre o solo ou estradas próximos às usinas de
beneficiamento. Isto ocorreu devido à falta de conhecimento técnico das empresas e
órgãos ambientais com relação às conseqüências ambientais associadas a estes resíduos.
ANTUNES (2004) afirma que, embora as práticas de gestão das empresas carboníferas
não fossem significativamente diferentes nem piores que as de outros segmentos do
setor mineral, as características do minério foram responsáveis pelo acúmulo de um
grande passivo ambiental estimado em US$ 112 milhões. Como conseqüência, a região
foi declarada como área crítica de poluição, um reconhecimento oficial da degradação
ambiental em virtude dos impactos gerados nas Bacias Hidrográficas de Araranguá,
Urussanga e Tubarão.
Boa parte deste passivo pode ser atribuída à drenagem ácida de minas. Esta lixívia
forma-se quando os minerais sulfetados presentes no rejeito e estéreis são expostos ao ar
e à água. A exposição gera reações de oxidação que produzem ácido sulfúrico,
aumentando a acidez e a concentração em metais das águas superficiais e subterrâneas.
O processo de formação de drenagem ácida a partir da oxidação de sulfetos contidos nos
rejeitos e estéreis tem sido extensivamente pesquisado no intuito de entender o processo
de oxidação (EPA, 1994) e os mecanismos para conter a geração.
Existem diversas alternativas para o controle da geração de drenagem ácida, algumas
contêm o processo inibindo o contato da água e/ou oxigênio com o resíduo, ao passo
que outras tratam da lixívia ou aumentam o poder de tamponamento dos resíduos.
Segundo CETEM (2001), um projeto de recuperação ambiental, da envergadura daquele
necessário à região carbonífera de Santa Catarina, somente terá conseqüências positivas
caso seja desenvolvido como um programa de ações conjuntas coordenadas envolvendo
todas as partes interessadas, considerando aspectos técnicos e ambientais.
2
Neste sentido, vários projetos foram propostos para a Bacia Carbonífera Sul
Catarinense. Com destaque para o Projeto Finep PROGERA – Otimização do Processo
de Geração de Energia Elétrica a partir do Carvão e Recuperação Ambiental das Áreas
Degradadas pela Mineração. Este projeto desenvolve-se em cinco metas físicas que são:
1) Estudos Geológicos e Hidrogeológicos; 2) Otimização do Processo Produtivo da
Usina de Beneficiamento; 3) Gestão de Resíduos (Abatimento da Drenagem Ácida de
Minas) e Revegetação; 4) Tratamento de Efluentes (Ativo, Passivo biótico e abiótico); e
5) Desenvolvimento de Sistema de Gestão Ambiental. A linha de pesquisa de cobertura
seca dos resíduos foi pesquisada na meta física gestão de resíduos.
A cobertura seca tem por finalidade reduzir o contato da água e do oxigênio com os
materiais geradores de drenagem ácida, evitando dessa forma que os rejeitos e/ou
estéreis fiquem expostos às condições oxidantes (BORMA & SOARES, 2002). Os
materiais normalmente utilizados nestas coberturas são solos argilosos, arenosos,
rejeitos/estéreis inertes ou já oxidados, geomembranas, resíduos de papel e celulose,
restos de madeira, etc. (AUBERTIN et al., 1999).
Os estudos de coberturas vêm sendo apresentados em congressos de “Mine
Reclamation” há mais de três décadas, mas a apresentação destes trabalhos em revistas
científicas tomou impulso a partir do ano de 2000. Isto significa que o assunto não se
esgotou e será ainda muito mais estudado até o final desta década. Não se pode deixar
de citar o programa do governo canadense denominado MEND (“Mine Environment
Neutral Drainage”) que investiu 17,5 milhões de dólares canadenses em oito anos no
desenvolvimento de tecnologia para impedir e controlar a drenagem ácida de minas
dando um grande passo na solução deste problema. Existe uma estimativa de que este
investimento gerou uma economia de 400 milhões de dólares canadenses no controle da
drenagem ácida de minas (DAM). Além disto, este projeto impulsionou o tratamento da
DAM em todo mundo incluindo o Brasil, tendo reflexos na Bacia Carbonífera Sul
Catarinense.
1.2. Escopo da Tese
Essa pesquisa procura avançar investigando a relação do coeficiente de difusão com os
parâmetros físicos grau de saturação, porosidade e teor de umidade em diferentes
materiais e em diferentes estruturas, avaliando também os fatores intervenientes como
temperatura e consumo. O planejamento da pesquisa se baseou na situação prática do
projeto de um sistema de cobertura para controle da geração de drenagem ácida em
pilhas de rejeitos piritosos de carvão em Santa Catarina.
Apesar de vários trabalhos experimentais e teóricos já terem sido desenvolvidos, muitos
aspectos do transporte de gases e líquidos em solo não saturado permanecem pouco
estudados (WEERTS et al., 2001).
O fluxo de gases em solos é particularmente importante em sistemas de cobertura de
rejeitos e em sistemas de remediação de solos contaminados por compostos voláteis.
Normalmente, no Brasil, estes sistemas são estudados e avaliados em laboratório em
função de transporte advectivo, conforme apresentado por IGNATIUS (1999) e
MACIEL (2003). Porém, no campo, o mecanismo dominante do fluxo do gás pela
3
cobertura é a difusão segundo XU et al. (1992), RENAULT & SIERRA (1994),
STEELE & NIEBER (1994), RITCHIE (1995), KUO & RITCHIE (1999) e WEERTS
et al. (2000).
O estudo da difusão em solos que compõem sistemas de cobertura de resíduos sólidos
urbanos em laboratório é raro. Na área de mineração, no entanto, os estudos da difusão
em solos que compõem sistema de cobertura seca para o controle de geração de
drenagem ácida iniciaram há 15 anos. Na Agricultura, desde 1940, estudos teóricos e
práticos vêm sendo desenvolvidos acerca da difusão em solos em função do grau de
saturação. Mesmo assim, REICHARDT & TIMM (2004) afirmam que no meio da
agronomia pouco foi feito com relação à dinâmica de gases no solo.
Existe uma ausência de trabalhos sistemáticos para a elaboração de projeto de cobertura
de resíduos no Brasil, principalmente quanto à determinação do fluxo de gás nos
sistemas de cobertura de resíduos geradores de acidez. Destaca-se o trabalho
desenvolvido por LEONI (2001) que investiga questões referentes ao fluxo de água e
gás em sistema de cobertura utilizando dados de coeficiente de difusão da literatura. O
estudo do coeficiente de difusão em materiais que podem compor a cobertura dos
depósitos contribui de forma técnica para a mitigação de impactos ambientais aplicáveis
à Bacia Carbonífera Sul Catarinense, ou qualquer outro local afetado por drenagem
ácida de mina onde a cobertura possa ser empregada como medida controladora do
processo.
1.3. Objetivos
Destacam-se os seguintes objetivos:
a) Objetivo geral
• Estudo fundamental da difusão de gás (O
2
) em materiais compactados de
cobertura.
b) Objetivos específicos
• Investigar experimentalmente a relação do coeficiente de difusão do oxigênio
com os parâmetros físicos (porosidade, conteúdo de ar, teor de umidade, massa
específica seca e grau de saturação) e com a sucção em diferentes materiais e em
diferentes estruturas;
• Determinar indiretamente o consumo do oxigênio pelos materiais de cobertura;
• Verificar fatores intervenientes, vantagens e desvantagens de dois
procedimentos experimentais utilizados na determinação em laboratório do
coeficiente de difusão do oxigênio em solos: concentração constante e massa
finita;
• Comparar os valores do coeficiente de difusão do oxigênio determinados
experimentalmente com os valores estimados pelos modelos preditivos mais
utilizados em projetos de cobertura;
• Aplicar os resultados do estudo em análise quanto à eficiência de diferentes
configurações de cobertura de uma pilha de rejeitos piritosos de mineração de
carvão.
4
1.4. Conteúdo da Tese
Esta tese é composta de dez capítulos e anexos.
O Capítulo 2 traz uma breve apresentação sobre: o uso e consumo do carvão mineral no
país; os problemas ambientais associados à sua extração e beneficiamento no Estado de
Santa Catarina. Destaca também os mecanismos de geração de drenagem ácida de mina
e as principais técnicas de mitigação deste problema com destaque para as coberturas
secas.
O Capítulo 3 apresenta a fundamentação teórica acerca de solos não saturados, fluxo de
gás em solo com ênfase na difusão, fatores controladores do coeficiente de difusão no
solo e resíduos e metodologias utilizadas para a determinação do coeficiente de difusão
em laboratório.
O Capítulo 4 apresenta as características do local estudado. Apresenta ainda a
metodologia empregada na caracterização geotécnica, físico-química, mineralógica e
biológica dos solos e resíduos.
O Capítulo 5 mostra o resultado dos ensaios de caracterização realizados. Este capítulo
contém os ensaios de caracterização geotécnica (densidade real dos grãos, limites de
Atterberg e análise granulométrica), englobando também a permeabilidade saturada,
adensamento, compactação, compacidade da areia e curva característica. Apresenta
ainda os resultados das análises físico-químicas (CTC, ataque sulfúrico, composição
química, teor de enxofre, valor do pH e teor de matéria orgânica), capacidade tampão,
balanço ácido-base, lixiviação, solubilização e análise mineralógica (difração de Raios-
X e Microscopia Eletrônica de Varredura). Um estudo inicial quanto à atividade
microbiológica presente no solo e resíduo também é apresentado.
O Capítulo 6 no seu início apresenta uma pequena revisão sobre as técnicas de
determinação do coeficiente de difusão com ênfase nas soluções analíticas para a
obtenção do mesmo. A metodologia empregada na execução dos ensaios na célula de
difusão e consumo, os fatores intervenientes e o procedimento de análise para a
obtenção do coeficiente de difusão e determinação do consumo também são
apresentados.
O Capítulo 7 contém os resultados dos testes preliminares, dos ensaios de difusão e dos
ensaios de consumo. O ensaio de difusão foi analisado utilizando o programa
POLLUTE (ROWE et al., 1994) para determinação do coeficiente de difusão, e
algumas equações foram estudadas quanto à eficiência na previsão dos resultados. Esse
capítulo mostra ainda o estudo do consumo durante o ensaio de difusão em outras
situações para o solo e o resíduo.
O Capítulo 8 apresenta a metodologia e os resultados da modelagem numérica
utilizando o programa SOILCOVER, buscando analisar o comportamento da cobertura
proposta por UBALDO (2005) e MENDONÇA et al. (2003a) e a utilizada no campo
com relação à redução do fluxo de água e de oxigênio.
As conclusões e sugestões para pesquisas futuras encontram-se no Capítulo 9, enquanto
que no Capítulo 10 são listadas as referências bibliográficas.
5
No final da dissertação são apresentados os anexos com dados adicionais sobre os
ensaios e sua interpretação, além de gráficos e metodologias de execução.
6
2. PROBLEMÁTICA DA EXPLORAÇÃO DE CARVÃO
2.1. Introdução
Nesse capitulo, é feita uma breve apresentação sobre o uso e consumo do carvão
mineral no país, destacando os problemas ambientais associados à sua extração e
beneficiamento no Estado de Santa Catarina. São abordados também os temas referentes
aos mecanismos de geração de drenagem ácida de mina e as principais técnicas de
mitigação deste problema com destaque para as coberturas secas.
2.2. Consumo do carvão no país
O maior depósito de carvão mineral do país está concentrado no flanco leste da Bacia
do Paraná, numa faixa que se estende em direção nordeste/sudoeste por 1.500 Km, pelos
estados de São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul, até o país vizinho
Uruguai (DNPM, 1985). Os carvões presentes nesta bacia têm elevado teor de cinzas,
que podem estar intercaladas como níveis dentro da camada total de carvão ou
finamente dispersas. Essas camadas se caracterizam por terem em média entre 50% e
65% de cinzas, o que constitui, pela terminologia internacional, um carvão de baixo
grade e rank. O teor de enxofre no carvão beneficiado varia entre 1,5 e 6,5%, e é
extremamente elevado nos carvões do estado do Paraná (6,5%), alto em Santa Catarina
(1,5-3,5%) e normal no Rio Grande do Sul (em torno de 1,5%). Na Figura 2.1 observa-
se duas áreas distintas (A e B) que englobam as principais ocorrências de carvão
mineral na Bacia do Paraná.
A exploração de carvão no Brasil tem mais de 140 anos atingindo um mercado
significativo a partir da instalação da siderurgia e de termelétricas no país. Getúlio
Vargas estimulou o consumo do carvão nacional para fins metalúrgicos a partir da
imposição da obrigatoriedade da mistura do carvão nacional catarinense ao importado.
Em 1990, essa obrigatoriedade foi retirada eliminando, dessa forma, o mercado do
carvão metalúrgico brasileiro devido à sua baixa competitividade em relação ao carvão
metalúrgico importado (CETEM, 2001). Este carvão era obtido por beneficiamento com
baixo rendimento (alto volume de rejeito para baixa quantidade de produto)
conseqüentemente gerando grande volume de resíduos (cinza da combustão e rejeitos
do beneficiamento).
7
Figura 2.1 – Principais áreas de ocorrência de carvão mineral na Bacia do Paraná (SILVA &
LEITES, 2000).
Durante a grande crise do petróleo, entre os anos de 1970 e 1980, o governo incentivou
o uso de carvão para fins energéticos, fixando preços e subsidiando o transporte. A
produção brasileira de carvão energético estabilizou-se no final da década de 80 no
patamar de consumo do parque termelétrico já instalado e não mudou muito a partir de
então. A última crise energética brasileira em 2002 mostrou que a matriz energética
brasileira é vulnerável às condições climáticas e à oscilação do preço do petróleo. Tal
fato, aliado à necessidade energética premente que se verifica no país, está permitindo a
entrada de investimentos privados (DNPM, 2001a). Isto permitiu então, a retomada dos
planos de conclusão de antigos projetos termelétricos (Candiota III e Jacuí I no RS) e a
elaboração de novos (USITEC em SC e Seival no RS). Se estes projetos fossem
concluídos em médio prazo, estas usinas teriam capacidade de gerar 1.390 MW e
consumiriam 8.500.000 toneladas de carvão energético, dobrando a produção recente
(DNPM, 2001a). Contudo, no período 2005-2010 espera-se que o consumo de carvão
aumente somente 3% (a menos que as termelétricas em estudo entrem em operação),
pois o uso intensivo deste bem esbarra em limitações de qualidade (baixo rank e grade)
e geológicas (jazidas pequenas, camadas finas e irregulares), dificultando a produção
em larga escala e tornando os preços pouco competitivos.
O principal uso atual do carvão nacional é a geração de energia elétrica (70% do
consumo). É utilizado nas termelétricas de Candiota I e II no Rio Grande do Sul sob a
forma bruta, bem como na Usina Termelétrica Jorge Lacerda em Santa Catarina de
forma beneficiada. O carvão nacional compete com o importado na produção de energia
elétrica quando as usinas ficam junto às minas (MME, 2003).
8
2.3. Problemas ambientais associados ao uso do
carvão em Santa Catarina
No sul de Santa Catarina existe a ocorrência da Bacia Carbonífera Sul Catarinense
conforme indicado pelo retângulo na Figura 2.2. Esta bacia abrange uma faixa de
orientação Norte-Sul, com aproximadamente 95 Km de comprimento e 15 a 20 km de
largura. Segundo CETEM (2001), a atividade mineradora nesta região opera há mais de
119 anos. Inicialmente a lavra do carvão era seletiva, ou seja, somente se extraía nos
pontos com menor teor de cinza. Mas, a partir de 1961, foi abandonada a mineração
seletiva, e o produto minerado continha de 60 a 65% de estéril, tornando seu transporte
antieconômico ao Lavador Central de Capivari. Desse modo, foram instalados pré-
lavadores nas bocas das minas para produzir o chamado "carvão pré-lavado”, com 28 a
32 % de cinzas, o qual era enviado ao Lavador de Capivari. A maior atividade produtiva
ocorreu em 1980.
Figura 2.2 – Localização da Bacia Carbonífera Sul Catarinense com relação às Bacias
Hidrográficas de Araranguá, Urussanga e Tubarão (modificado de CETEM, 2001).
Os rejeitos gerados nos pré-lavadores foram sendo depositados próximos aos lavadores,
ou seja, próximos à fonte de água. Esta prática mineira sem maiores cuidados com o
meio ambiente foi a principal causa da poluição dos recursos hídricos da região, entre
outros fatores, devido à drenagem ácida (ALEXANDRE & KREBS, 1995). O volume
total de rejeito e estéril depositado é estimado em 370 milhões de metros cúbicos. A
área comprometida corresponde na Bacia de Araranguá a 2,9 mil hectares, 1,2 na Bacia
de Tubarão e 0,6 em Urussanga (MITSUBISHI CORP/ CHIYODA, 1997).
A sub-bacia do rio Mãe Luzia nas décadas de 1970 e 1980 abrigava cerca de 70% das
atividades produtivas de carvão mineral do país. GOTHE (1993) apud ESPINOSA
(2001) mostra que o rio Mãe Luzia e dois de seus afluentes, Sangão e Fiorita,
apresentavam teores altos de acidez (pH variando entre 2,0 – 3,0). Como conseqüência,
o abastecimento da cidade de Criciúma (170.000 habitantes) não pode ser feito a partir
destes cursos de água. O rio Urussanga, que atravessa 4 municípios com o total de
93.000 habitantes, apresentava em 1993 teores de pH da ordem de 3,0 ao longo de quase
60 km de extensão.
9
Embora gradualmente as práticas de lavra e beneficiamento estejam evoluindo, existe o
passivo ambiental das minas exauridas, em função da má conformação das pilhas de
rejeitos, da ausência de revestimento de fundo e cobertura das pilhas e com revegetação
oportunista. Ao lado da prosperidade gerada pela exploração do carvão, a atividade
poluiu o ar, tornou inóspitas extensas áreas territoriais, o que fez desaparecer águas
superficiais e contaminou mananciais de superfície e subterrâneos pelo lançamento de
águas ácidas e disposição inadequada de rejeitos piritosos, bem como tornou
improdutiva uma área superficial extensa devido à sua cobertura com os resíduos. Os
reflexos dessa poluição se fazem presentes no ambiente regional e na saúde da
população (AMARAL, 1998 apud ESPINOSA, 2001) Por estes motivos, a região Sul
do estado de Santa Catarina foi classificada como a 14
a
Área Crítica Nacional pelo
Decreto Federal 85.206/80 com relação ao meio ambiente. ANTUNES (2004) estima
um passivo ambiental de US$ 112 milhões.
Os Governos Federal e Estadual e os mineradores de carvão de Santa Catarina foram
condenados em Sentença da Justiça Federal, em janeiro de 2000, a promover toda a
recuperação ambiental da região afetada pela mineração de carvão no prazo de três
anos. Com o objetivo de atender à sentença citada, os réus criaram um Comitê Gestor
que está desenvolvendo estudos e trabalhos de recuperação ambiental, que resultou no
Projeto Conceitual para Recuperação Ambiental da Bacia Carbonífera Catarinense,
elaborado pelo CETEM (Centro de Tecnologia Mineral), CANMET (órgão do “Natural
Resources” do Canadá) e SIECESC (Sindicato da Indústria de Carvão do Estado de
Santa Catarina).
2.4. Drenagem ácida de minas
Diversas teses e dissertações, realizadas no Laboratório de Geotecnia da COPPE-UFRJ,
vêm abordando o tema drenagem ácida, tanto no que se refere ao comportamento de
sedimentos lagunares em operações de dragagem (BORMA, 1998; PESSÔA, 2001 e
MAIA, 2004) como em resíduos de mineração ricos em sulfetos metálicos (LEONI,
2001) e seus efeitos no meio ambiente (MESQUITA, 2001). O presente capítulo
apresenta, de forma resumida, as equações que regem a oxidação dos sulfetos metálicos,
com ênfase na pirita (sulfetos de Fe), e os fatores controladores da geração da drenagem
ácida em resíduos de mineração de carvão.
A drenagem ácida de mina (DAM) pode ser gerada na atividade de mineração nas
frentes de lavra superficial e subterrânea, nas pilhas de resíduos e nas lagoas de
decantação em função da mineralogia das rochas presentes e da disponibilidade de água
e oxigênio no sistema (KIM et al., 1982). A neutralização do ácido gerado pode ocorrer
a partir da liberação de alcalinidade, principalmente dos minerais carbonatados e
aluminossilicatos também presentes na rocha e/ou solo. A drenagem também pode se
enriquecer em metais além do ferro devido à oxidação de sulfetos, tais como marcassita
(FeS
2
), calcopirita (CuFeS
2
), calcocita (CuS
2
), esfarelita (ZnS
2
), galena (PbS
2
), pirrotita
(Fe
1-x
S), aresenopirita (FeAsS
2
), que podem ocorrer associados à pirita (FeS
2
). A
geração de acidez e conseqüente lixiviação de metais são os principais problemas
ambientais associados à mineração de carvão.
10
A atividade de extração e beneficiamento do carvão gera resíduos que são,
normalmente, depositados em pilhas ou lagoas. As pilhas apresentam uma
heterogeneidade de tamanho de partículas que vão de blocos até a fração argila, e
apresentam alta permeabilidade ao ar e à água. Já as lagoas são caracterizadas por
materiais de tamanho fino provenientes do tratamento das águas residuárias do
beneficiamento. A Tabela 2.1 apresenta uma comparação dos fatores que afetam a
geração de drenagem ácida nestes dois ambientes distintos.
Tabela 2.1 – Fatores que controlam a geração de acidez em pilhas de estéreis e lagoas de
decantação (EPA, 1994).
FATORES QUE
AFETAM - DAM
PILHAS DE RESÍDUO LAGOA DE DECANTAÇÃO
Presença de sulfeto Concentração variável
Concentrações uniformes e
geralmente elevadas
Tamanho e forma da
partícula acidificante
e neutralizadora
Grande variabilidade no tamanho das
partículas. Maior percentual da fração
acima de 0,2 mm
Resíduo fino, com maior percentual
da fração menor do que 0,2 mm
Variação de pH
Variação do pH dentro da pilha devido a
caminhos preferenciais de entrada e
consumo de oxigênio
Distribuição uniforme do pH na lagoa
Oxidação
A disposição em pilhas permite maior
oxidação, a qual inicia-
se imediatamente
após a remoção do carvão
para o
beneficiamento
Cessa quando o produto do
beneficiamento é disposto na lagoa e
se reinicia quando a lagoa seca
Entrada de oxigênio
Caminhos preferenciais em função do
vento, temperatura e gradiente de
concentração, sujeita a variações
sazonais do clima
Uniforme e limitada à capacidade de
difusão do oxigênio em meio aquoso
Presença de
Bactérias
Passa a ser relevante quando o pH do
meio é inferior a 3,5
Passa a ser relevante quando o pH do
meio é inferior a 3,5
Liberação da DAM Elevada precipitação
e infiltração para
dentro da pilha resulta em grande
volume de drenagem gerada e rápida
liberação para o ambiente, partindo da
base da pilha para os aqüíferos
superficiais
Quando a lagoa está seca ocorre
elevado runoff, baixa taxa de
infiltração e transição gradual do
percolado para pH ácido. Quando
cheia, a acidez gerada acidifica a água
que pode infiltrar para os terrenos
circunvizinhos
Cada mineral sulfetado apresenta uma taxa de oxidação diferente em função da sua
cristalinidade e pureza. Segundo YOUNGER et al. (2002) apud COSTELLO (2003) e
EPA (1994) a pirita (ou qualquer outro sulfeto) ao ser exposta ao oxigênio e à água
oxida-se, resultando na liberação de íons hidrogênio e acarretando um aumento da
acidez, sulfato e cátions solúveis (Equação 2.1). Na superfície da mina de carvão,
crostas amarelas e brancas podem ocorrer ao longo dos horizontes oxidados da pirita
como produtos cristalizados da solução.
FeS
2
(s)
+ 7/2 O
2
(g)
+ H
2
O
(l)
↔ Fe
2+
(aq)
+ 2SO
4
2-
(aq)
+ 2H
+
(aq)
(Eq. 2.1)
De acordo com a Equação 2.2, o íon Fe
+2
(íon ferroso) produzido na Equação 2.1 oxida-
se para Fe
+3
(íon férrico) na presença de oxigênio dissolvido na água ou do oxigênio do
ar, sendo parte da acidez gerada na Equação 2.1 (H
+
) consumida nesta equação.
Fe
2+
(aq)
+ 1/4O
2
(g)
+ H
+
(aq)
↔ Fe
3+
(aq)
+ H
2
O (Eq. 2.2)
11
O íon férrico produzido por meio da Equação 2.2 precipita-se sob a forma de hidróxido
de ferro (Equação 2.3), que é responsável pela cor vermelho-alaranjada que caracteriza
a drenagem ácida de minas. Uma vez que os produtos da oxidação estão em solução,
eles podem reagir com a pirita para produzir mais íons ferrosos e acidez (Equação 2.4).
Fe
3+
(aq)
+ 3H
2
O
(l)
↔ Fe(OH)
3
(s)
+3H
+
(aq)
(Eq. 2.3)
14Fe
-3
+ FeS
2
(s) + 8H
2
O → 2SO
4
-2
+ 15Fe
+2
+ 16H
+
(Eq. 2.4)
Quando o íon ferroso é produzido (Equação 2.4) e o oxigênio dissolvido é suficiente,
ocorre um novo ciclo com as Equações 2.2 e 2.3 tornando as reações cíclicas. O
oxigênio dissolvido e o íon férrico têm o poder de oxidar a pirita e reduzir o pH e gerar
íon ferroso como demonstrado na Equação 2.4.
A bactéria autotrófica Thiobacillus ferrooxidans e outras espécies similares têm a
capacidade de catalisar a reação de Fe
2+
para Fe
3+
, principalmente em condições ácidas
e aeróbias (PERKINS et al., 1995). Essas bactérias aceleram a reação porque a taxa de
oxidação do Fe
2+
para o Fe
3+
realizada pelas bactérias é mais rápida do que a reação
inorgânica e a taxa de oxidação da pirita pelo Fe
3+
é mais rápida do que pela reação com
o oxigênio.
O processo de oxidação é lento, ocorre em várias etapas e depende de agentes bióticos,
das características do resíduo, das características dos agentes abióticos (oxigênio e íon
férrico), da temperatura, do pH, do Eh, entre outros.
Os produtos solúveis da oxidação da pirita são removidos pela água. Na ausência de
materiais alcalinos, as reações de produção de ácidos podem prosseguir por períodos de
tempo indefinidos.
2.5. Medidas mitigadoras
Conforme apresentado anteriormente, a drenagem ácida de mina (DAM) pode ser
gerada a partir de uma variedade de minerais sulfetados, que podem estar presentes na
extração de carvão, cobre, ouro, zinco e urânio, entre outros, tornando-se portanto um
dos maiores problemas enfrentados pela indústria minero-metalúrgica em diversas
partes do mundo (SOARES & TRINDADE, 2003).
De acordo com o relatório do CETEM (2001), dois aspectos assumem importância
quando se estuda a geração de drenagem ácida. O primeiro é o fato de que a lixívia não
fica restrita à área minerada, podendo contaminar os cursos d’água, superficiais e
subterrâneos, e áreas circunvizinhas ao empreendimento. O segundo é que a reação
química envolvida no processo de geração da lixívia é lenta, podendo o fenômeno
persistir durante anos, mesmo depois de esgotado o depósito mineral.
Nesse sentido, quatro enfoques de tratamento podem ser empregados para evitar ou
minimizar a geração de drenagem ácida:
12
i) tratamento ativo ou passivo da DAM, porém este procedimento implica na
geração de grandes quantidades de lama gerando novos impactos;
ii) outra alternativa, muito utilizada, leva em consideração a adição de material
alcalino ao resíduo sulfetado para tamponar a produção de ácido, neutralizando
portanto a acidez gerada pelo resíduo e mantendo o produto da neutralização
restrito à área onde está sendo gerada a drenagem ácida;
iii) isolar os resíduos geradores de acidez do oxigênio e/ou da água, reduzindo o
potencial de produção de acidez;
iv) e submergir ou inundar os resíduos reduzindo desse modo o seu contato com
o oxigênio, devido à baixa concentração deste gás contida na água e o baixo
coeficiente de difusão do oxigênio sob estas condições.
A recuperação das áreas impactadas pelas drenagens ácidas envolve geralmente a
aplicação de um conjunto dessas técnicas ou uma combinação delas. Com base no
exposto acima, são apresentadas algumas alternativas conhecidas para prevenir e
recuperar áreas degradadas pela drenagem ácida de mina:
a) Resolução na origem do problema;
o Na frente de lavra;
Instalação de sistema de drenagem e contenção;
Selagem de minas subterrâneas;
Inundação de antigas cavas a céu aberto.
o No depósito de rejeitos e lagoas de decantação;
Instalação de sistema de drenagem e contenção;
Mistura de material alcalino ao resíduo gerador de acidez;
Disposição aquosa dos resíduos;
Cobertura Úmida (wet cover);
Cobertura Seca (dry cover).
b) Tratamento das águas ácidas;
o Ativo;
o Passivo biótico e abiótico.
2.6. Coberturas secas
Nos projetos de fechamento de mina, os sistemas de cobertura são tradicionalmente
divididos em dois grupos:
i. Sistemas que envolvem a submersão ou inundação dos rejeitos, que são designados
como “coberturas úmidas” (wet cover);
ii. Sistemas constituídos de camadas de solos ou materiais alternativos compactados ou
não, sem submersão ou inundação do depósito, que são designados como “coberturas
secas” (dry cover).
As coberturas secas vêm sendo cada vez mais utilizadas na prevenção e controle da DAM.
Sua adoção é considerada um método de controle da drenagem ácida na origem, pois
contém ou retarda ou minimiza a entrada dos principais agentes responsáveis pela oxidação:
o oxigênio e a água em função das diversas camadas presentes no sistema de cobertura.
De uma maneira geral, os sistemas de cobertura são compostos de várias camadas onde
cada uma delas possui uma função definida como resumido na Tabela 2.2.
13
Tabela 2.2 – Componentes possíveis em um sistema de cobertura (modificado de DANIEL &
KOERNER, 1993).
Camadas Função Considerações
Superficial - Controlar a erosão hidráulica e/ou eólica
- Reduzir a temperatura e aporte de água para
as camadas inferiores
- Promover o crescimento de vegetação e
evapotranspiração
Camada indispensável ao sistema de
cobertura
Proteção - Armazenar água
- Proteger as camadas inferiores contra o
ressecamento, penetração de animais e raízes
Pode ser substituída por uma camada
superficial mais espessa
Drenagem - Remover a água acumulada nas camadas
superiores e conseqüentemente reduzir o
gradiente hidráulico na camada barreira
Utilizada quando excessivas quantidades
de água passam pela camada de
proteção, ou quando forças de
percolação são excessivas
Barreira - Reduzir a infiltração de água e/ou oxigênio
para o interior dos rejeitos
- Inibir as reações de oxidação e elevar o pH da
água que infiltra
- Inibir o crescimento das bactérias no resíduo
É a camada mais importante do sistema
de cobertura
Outros materiais são também utilizados
tais como resíduo da indústria de
celulose, madeira, asfalto ou são
misturados
Conforme a finalidade da cobertura, a camada barreira pode ser classificada em:
barreira de transporte de oxigênio, barreiras hidráulicas, barreiras evapotranspirativas,
barreira de consumo de oxigênio e barreira de inibição de oxigênio conforme
apresentado na Tabela 2.3.
A barreira capilar de uma forma geral é uma barreira hidráulica e que com freqüência é
utilizada em sistemas de barreiras evapotranspirativas. Na sua forma mais simples, uma
barreira capilar é construída por meio da colocação de uma camada de material fino
saturada ou próxima à saturação sobre uma camada de material granular não saturado,
com o objetivo de impedir o fluxo da água do material fino para o material granular.
Outra configuração é colocar o material granular sobre o material fino de forma a
impedir a perda da água do material fino por evaporação. Segundo SHACKELFORD
(1997), o efeito de barreira capilar é tanto maior quanto maior for o contraste entre as
condutividades hidráulicas das camadas de solo fino e granular. STORMONT et al.
(1996) afirmam que as barreiras capilares são eficientes quando os efeitos combinados
de evaporação, transpiração e desvio lateral de fluxo excedem a infiltração proveniente
da precipitação.
De acordo com o exposto nas Tabelas 2.2 e 2.3, contata-se que existe uma matriz
infindável de configurações possíveis de cobertura. A Tabela 2.4 apresenta alguns
exemplos típicos. A escolha da configuração depende: das condições climáticas do
local; da disponibilidade dos materiais e distância às áreas de empréstimo; das
propriedades e condições dos materiais de cobertura e dos resíduos; da topografia do
terreno; da evolução do solo e do resíduo; e da vegetação.
14
Tabela 2.3 – Classificação das coberturas secas de acordo com o papel que exercem para efeito
de inibição da DAM e suas principais características (modificado de VANAPALLI et al., 1996).
Cobertura Papel principal
na inibição da
DAM
Característica
Barreiras de
transporte de
oxigênio
Atuam de forma a
reter a umidade e
com o objetivo de
controlar o fluxo
de oxigênio
gasoso
É projetada para que a camada de cobertura mantenha elevado grau de
saturação sob variadas condições climáticas. Beneficia-se da
característica de que o coeficiente de difusão do oxigênio (D
e
) é
quatro ordens de grandeza inferior na água do que no ar. Ensaios de
laboratório comprovam que, se o material da cobertura possuir
saturação em torno de 85%, o fluxo por difusão do oxigênio pode ser
considerado igual ao fluxo deste gás na água devido à falta de
interconexão dos poros com ar neste grau de saturação.
Barreiras hidráulicas
Atuam de forma a
impedir, por meio
da adoção de uma
camada de
material
impermeável, o
fluxo de água
para dentro do
material reativo
A redução da infiltração da água no sistema de cobertura reduz a
quantidade de água que atinge o resíduo, diminuindo a quantidade de
efluente gerado. Em geral, camadas de solos compactados com
condutividade hidráulica igual ou inferior a 1 x 10
-7
cm/s são
empregadas. Podem ser utilizados também materiais sintéticos em
substituição à camada argilosa. LEONI (2001) faz uma revisão sobre
a utilização destes materiais, com destaque para as geomembranas
que podem ser de polietileno muito flexível (PEMF), polipropileno
flexível (PPF), polietileno coextrudado (PEAD), poli cloreto de vinila
(PVC) e barreiras sintéticas argilosas. As barreiras sintéticas argilosas
são barreiras hidráulicas pré-fabricadas constituídas de argila
bentonítica ou outro material de baixa permeabilidade associado a
geotêxteis ou geomembranas através de adesivos químicos ou
costuras especiais.
Barreiras
Evapottrans-
pirativas
Atuam de forma a
maximizar o
armazenamento
para posterior
liberação por
evapotranspiração
São compostas por uma ou mais camadas que armazenam a água e
posteriormente liberam por transpiração ou por evaporação, podendo
ser diferenciadas em barreira monolítica e barreira capilar (material
fino sobrepondo areia ou seixo). Em condição não saturada, existe um
contraste de permeabilidade entre o material fino e o granular que
impede o fluxo da água do material fino para o material granular.
Barreiras evapotranspirativas são compostas geralmente por solos
finos que têm elevada capacidade de armazenamento.
Barreiras de consumo de
oxigênio
Atuam como uma
fonte de consumo
de oxigênio de
forma a fornecer
baixa
concentração de
oxigênio na
interface
cobertura/resíduo
Na barreira de consumo de oxigênio são empregados materiais que
consomem o oxigênio durante a difusão deste gás pela cobertura. Em
vista disso, são colocados materiais ricos em carbono (restos de
madeira, resíduo de papel e celulose, lodo de dragagem, palha, feno
entre outros), bactérias aeróbias ou matéria orgânica. O consumo do
oxigênio ocorre porque este ataca os compostos orgânicos contidos
nestes elementos da cobertura ou são consumidos pelas bactérias
aeróbias. Estudos indicam que a concentração de oxigênio a 60 cm da
cobertura com restos de madeira é igual a zero e a vida útil deste
elemento de cobertura seria de 10 anos (VANAPALLI et al., 1996).
Barreiras de inibição da reação
Atuam de forma a
inibir reações,
neutralizando o
pH
Barreiras de inibição de reação podem atuar de duas formas distintas.
A primeira seria a adição de elementos alcalinizantes misturados à
cobertura ou compondo um elemento do sistema de cobertura, de
forma que a água que infiltra pelo sistema se alcaliniza e, ao atingir o
resíduo, inibe a acidez nele contida gerando um efluente com baixa
concentração de metais e sulfato. As substâncias mais utilizadas são
calcário e cinza volante (cinza fina). A segunda opção consiste em
adicionar substâncias que reagem com a água que infiltra e inibem o
crescimento biológico no rejeito. Uma série de compostos podem ser
utilizados para inibir o crescimento Thiobacillus ferrooxidans dentre
os quais destacam-se cloretos (cloreto de sódio), nitratos, frutose,
lactose, extrato de malte, peptona, biocidas, detergentes aniônicos,
entre outros.
15
Tabela 2.4 – Sistema básico de cobertura com solo apresentado por O’KANE et al. (2002).
Esquema Configuração
Básica – composta por uma camada de cobertura de material não compactado
colocada diretamente sobre o resíduo. Esse material é usualmente solo, estéril ou
resíduo (inerte ou oxidado). O objetivo principal dessa cobertura é o
estabelecimento da vegetação, e indiretamente a redução da percolação líquida.
Esse tipo de cobertura é utilizado para cobrir materiais não reativos
Variação I - cobertura de material não compactado colocada diretamente sobre o
rejeito, mas mais espessa do que a alternativa anterior. Esse tipo de cobertura tem
por objetivo aumentar a habilidade do sistema em reduzir a percolação líquida para
o resíduo através do aumento da capacidade de armazenamento da umidade pelo
material de cobertura (evapotranspirativa monolítica). O estabelecimento de uma
cobertura vegetal é também um objetivo. Os materiais utilizados com mais
freqüência são os solos ou resíduo (inerte ou oxidado)
Variação II – composta por camada granular colocada sobre o rejeito e sobre ela a
camada de solo fofo. Essa barreira capilar é colocada quando existe potencial de
ascensão de contaminantes que possam alterar o desempenho da cobertura ou a
qualidade da água superficial ou existe uma tendência de percolação do material de
cobertura para o resíduo
Variação III – apresenta camada compactada colocada diretamente sobre o rejeito
e sobreposta por uma camada de material não compactado. O objetivo é fornecer
uma barreira hidráulica para a percolação de água devido à baixa permeabilidade
do material compactado. Se esta barreira conseguir reter umidade ao longo do
tempo se constituirá também uma barreira de fluxo de oxigênio. Esse material
compactado pode ser solo natural, material de capeamento do depósito ou resíduo
oxidado (inertes ou desulfurizados). A camada superior tem o objetivo de trocar
umidade com a atmosfera e fixar vegetação
Variação IV – possui camada de material “alternativo” colocado diretamente sobre
o rejeito e coberto por uma camada de material não compactado. Esse material
alternativo pode ser uma camada de material orgânico tal como um resíduo urbano,
serragem, calcário, etc que atuam como barreira de consumo de oxigênio ou
inibidora de reação. Esses materiais têm o potencial de fornecer uma barreira física
à penetração do oxigênio, mas também consomem oxigênio atmosférico através da
sua decomposição. Pode também ser constituído de material que permita a
infiltração de água, mas a torna alcalina ou transfere substâncias que inibam o
desenvolvimento das bactérias. Esse material alternativo também pode ser um
material sintético tal como um material cimentante, misturas de cinza,
geopolímeros, membranas flexíveis tais como as geomembranas e materiais de
cobertura melhorados, nos quais bentonita (com ou sem polímeros) ou cinza
volante são adicionados para melhorar o desempenho de um material de cobertura
compactado
Aumenta a complexidade, eficiência e o custo
Variação V – apresenta uma barreira capilar dupla (composta de duas camadas
arenosas intercaladas a uma camada de solo compactado) e uma camada superior
de solo fofo para fixação de vegetação. É possível que o material utilizado na
barreira capilar superior atue também como um meio de crescimento da vegetação
ou inibição dela dependendo de suas características texturais
Material
Cobertura
Resíduo
Material
Cobertura
Resíduo
Bareira capilar
Material
Cobertura
Resíduo
Solo Compactado
Material
Cobertura
Resíduo
Material
alternativo
Material
Cobertura
Resíduo
Material
Cobertura
Resíduo
Bareira capilar
Bareira capilar
Solo Compactado
16
O desempenho da cobertura pode variar em função dos processos físicos, químicos e
biológicos aos quais ela está submetida. A Tabela 2.5 apresenta as propriedades dos
materiais da cobertura na condição inicial (momento imediatamente após a construção)
e os fatores que afetam a estrutura inicial, ao longo do tempo. Segundo VANAPALLI et
al. (1996), os fatores físicos (ciclos de chuva/estiagem e erosão) são os que afetam mais
intensamente o desempenho de sistemas de cobertura, podendo vir a destruí-lo devido
ao carreamento das partículas finas ou à diminuição de sua espessura, produzindo um
efeito indesejado de perda da condutividade hidráulica e perda da capacidade de
retenção da umidade.
Tabela 2.5 - Fatores controladores da estrutura inicial e final dos solos (VANAPALLI et al.,
1996).
ESTRUTURA INICIAL DA COBERTURA
Produto das Características do Material e Fatores Ambientais
COMPOSIÇÃO DO MATERIAL
Mineralogia, tamanho e forma das partículas,
composição química da água dos poros e teor de
umidade
FATORES “AMBIENTAIS”
Método de compactação, energia de
compactação, temperatura e tempo
ESTRUTURA FINAL
Resultado da Ação dos Processos Físicos, Químicos e Biológicos sobre a Estrutura Inicial
PROCESSOS FÍSICOS
Adensamento; ciclos de
molhamento/secagem; gelo/degelo;
erosão e dispersão de partículas
PROCESSOS QUÍMICOS
Dissolução; consolidação
osmótica; transformação
mineralógica; sorção;
precipitação
PROCESSOS BIOLÓGICOS
Crescimento de raízes; buracos
construídos por animais
É importante salientar que a cobertura seca é utilizada no fechamento de pilhas de
estéreis, rejeitos e, com menos freqüência, em lagoas de decantação. O material que está
sendo coberto sofreu processo de oxidação durante todo o processo de operação até o
seu fechamento. Em vista disso, mesmo que uma cobertura venha a atuar
satisfatoriamente no que se refere à minimização da DAM, existe um intervalo de
tempo, às vezes da ordem de anos, no qual a acidez acumulada dentro do depósito de
rejeitos é liberada através da drenagem, bem como devido à infiltração de água. Exige
também manutenção constante quanto ao surgimento de fraturas e plantas com sistema
radicular profundo que podem comprometer o funcionamento da cobertura.
SKOUSEN (2000) cita um exemplo de aplicação de cobertura que reduziu a geração de
ácido em 70% na Upshur Mining Complex no West Virginia. Outros comportamentos
desses sistemas são descritos na literatura por vários autores, tais como NICHOLSON et
al. (1989); BARBOUR (1990); YANFUL et al. (1993); SWANSON (1995); O’KANE
(1996).
A avaliação do uso de cobertura seca para minimização da drenagem ácida em rejeitos
de mineração de carvão da Bacia Carbonífera Sul Catarinense foi realizada por
MENDONÇA et al. (2003a). Os autores utilizaram sistema de cobertura com camada de
proteção e barreira, ou seja, a variação III proposta por O’KANE et al. (2002). Esta
avaliação foi realizada com auxílio do programa SOILCOVER com dados climáticos do
ano de 2000 em quatro situações distintas: a) resíduo sem cobertura; b) cobertura com
30 cm de solo compactado e 30 cm de solo fofo sobre o rejeito; c) cobertura com 60 cm
de solo compactado e 30 cm de solo fofo sobre o rejeito, e d) cobertura com 90 cm de
solo compactado e 30 cm de solo fofo sobre o rejeito.
17
Os resultados mostram que todas as configurações com a camada de solo compactada
apresentaram uma significativa redução da taxa de infiltração. Já com relação à
saturação média do sistema de cobertura ao longo do ano, constatam que somente as
configurações (c) e (d) apresentam valores da ordem de 84%. Concluíram que o
acréscimo de espessura da configuração (c) para a (d) não criou um benefício
significativo da cobertura com relação às características de infiltração e retenção.
UBALDO (2005) faz um estudo de validação do programa SOILCOVER em
laboratório e realiza simulações de campo com materiais desta tese e com os mesmos
dados climáticos de MENDONÇA et al. (2003a). Em função do obtido por
MENDONÇA citado anteriormente, foi acrescida a condição de barreira capilar. As
condições simuladas foram: a) rejeito sem cobertura; b) cobertura com 30 cm de solo
compactado sobre o rejeito; c) cobertura com 60 cm de argila compactada sobre o
rejeito; d) cobertura de barreira capilar com areia (40 cm de areia, 30 cm de argila
compactada e 30 cm de areia); e e) cobertura de barreira capilar com cinza de fundo
(mesma espessura do ensaio com areia sendo que esta foi substituída pela cinza).
Como conclusões destacam-se: que o resíduo sem cobertura permite a infiltração de
63% da precipitação anual; que as coberturas com solo compactado de 30 para 60 cm
não houve uma redução significativa da infiltração tal como MENDONÇA et al.
(2003a) e que a mesma manteve saturação aproximada de 85% na interface solo-
resíduo; e que as configurações com barreira capilar apresentaram menor infiltração e
maior saturação, e que a configuração com a areia apresentou o melhor resultado.
18
3. DIFUSÃO DE GASES NO SOLO
3.1. Introdução
Esse capítulo apresenta a fundamentação teórica acerca de solos não saturados que será
utilizada no decorrer do trabalho com ênfase nos constituintes do solo e na dinâmica da
água e do gás nesse meio poroso. Uma abordagem sobre o fluxo por difusão é feita
apresentando as equações que regem este fluxo, destacando o comportamento na fase
gás do solo e seus fatores controladores. A atividade microbiológica também é tratada
como sendo um dos fatores controladores da difusão de gás do solo.
3.2. Constituintes do solo
O solo apresenta quatro componentes principais: substâncias minerais, matéria orgânica,
água e ar (BRADY, 1989; LEPSCH, 2002). As frações orgânica e inorgânica do solo
organizam-se em agregados com formas e dimensões variadas (volume de sólidos), a
medida que o líquido e o gás ocupam os poros. Os índices físicos são obtidos à partir da
relação massa e volume das partículas sólidas, água e ar. Na Tabela 3.1 pode-se
observar os índices físicos e algumas relações entre estes índices que serão utilizadas
neste trabalho.
Tabela 3.1 – Índices físicos e suas relações.
Índice físico Relação Massa-Volume Relações entre os índices físicos
w
sa
MMw /
=
-
θ
w
VV
ww
/
=
θ
Sn
w
=
θ
ou
(
)
w
Wsw
ρ
ρ
θ
=
θ
a
VV
aa
/
=
θ
θ
a
= n -
θ
w
ou
θ
a
= n(1-S
w
)
n
VVn
v
/
=
n=(1+e)/e
e
sv
VVe /
=
-
S
w
vww
VVS /
=
S
w
=
θ
w
n
S
a
vaa
VVS /
=
S
a
= 1 - S
w
ρ
s
VM
ss
/
=
ρ
-
Onde: w – teor de umidade gravimétrico (adimensional);
θ
w
– teor de umidade volumétrico (adimensional);
θ
a
– teor de ar volumétrico ou conteúdo de ar (adimensional);
n – porosidade total (adimensional);
e - índice de vazios (adimensional);
S – grau de saturação total (adimensional)
S
w
– grau de saturação de água (adimensional);
19
S
a
– grau de saturação de ar (adimensional);
M
a
– massa de água (M);
M
s
– massa de sólidos (M);
V – volume total (L
3
);
V
v
– volume de vazios (L
3
);
V
w
– volume de água (L
3
);
V
a
– volume de ar (L
3
);
V
s
– volume de sólidos (L
3
);
ρ
s
– massa específica aparente seca (ML
-3
);
ρ
w
– massa específica da água (ML
-3
);
A porosidade do solo pode ser dividida em dois segmentos principais: os poros
formados entre os agregados e os poros no interior dos agregados.
Como observado na Figura 3.1, na situação em que os poros do solo estão totalmente
preenchidos com água, o solo é dito saturado (S=100%). Já quando o solo está
preenchido por água e ar, o solo é definido como não saturado. Embora a trajetória do
fluxo da água no solo tenha uma direção dominante em escala de detalhe, o fluxo entre
os agregados tem uma trajetória tortuosa bastante complexa (GEOANALYSIS LTD.,
2000; O’KANE et al., 2002), sendo este movimento tortuoso também válido para o
fluxo de gás.
A Figura 3.1 ilustra um desenho esquemático do solo na condição saturada, não
saturada e saturação residual. Nesta figura também está indicado que, conforme o teor
de umidade do solo aumenta, decresce a sucção, aumenta a condutividade hidráulica e
decresce o coeficiente de difusão do oxigênio.
S = 100% S < 100% S << 100%
Aumenta o teor de umidade
Decresce a Sucção
Aumenta a condutividade hidráulica
Decresce o coeficiente de difusão do oxigênio
Figura 3.1 – Desenho Esquemático dos poros do solo saturado e não saturado mostrando a
trajetória tortuosa da água (GEOANALYSIS LTD., 2000).
20
3.3. Dinâmica da água no solo
O movimento hídrico nos solos processa-se da zona de maior potencial total para de
menor potencial sob a forma líquida ou vapor. A água é um componente dinâmico do
solo, e nele são identificados três tipos de movimentos: fluxo da água líquida no meio
saturado, fluxo da água líquida no meio não saturado e fluxo do vapor d’água no meio
não saturado (BRADY, 1989; NICHOLSON et al., 1989).
O potencial total da água no solo (ψ) é uma função de posição, e representa a energia
total no ponto por unidade de peso. Para que ocorra o fluxo da água em uma
determinada direção, é preciso existir um gradiente de potencial total nesta direção.
No solo o potencial total é definido pela soma das componentes:
ψ
= ψ
g +
ψ
p
+ ψ
c
+ ψ
os
(Eq. 3.1)
Onde:
a) Potencial gravitacional (ψ
g
) – representa a energia potencial no ponto, sendo
expressa ψ
g
=z, onde z é uma altura em relação a um referencial arbitrários;
b) Potencial de pressão (ψ
p
) – representa a parcela de energia relacionada à pressão
na água no ponto, expressa por ψ
p
= (µ
w
/γ
w
), onde µ
w
é a pressão atuante na
água e γ
w
o peso específico da água. Na condição na saturada este componente é
substituído pelo potencial matricial (ψ
m
), em que a, a pressão na água é negativa
resultante do fenômeno da capilaridade e de forças de adsorção. Esta pressão é
designada como sucção matricial. A sucção matricial acrescida da osmótica
compõe a sucção total do solo;
c) Potencial de velocidade (ψ
v
) – representa a parcela de energia cinética
associada à velocidade no ponto, considerada desprezível no solo em
comparação com os demais potenciais;
d) Potencial osmótico (ψ
os
) – relacionado ao processo de difusão osmótica, onde os
solutos, iônicos ou Não, se movem em decorrência da sua atividade cinética.
Esse potencial possui valores pequenos e exerce pouca influência no movimento
da água no solo saturado ou próximo à saturação, o sinal negativo representa o
potencial osmótico da água para equilibrar a concentração de sais (sucção
osmótica).
A Figura 3.2 ilustra as formas de retenção de água no solo, onde em C - água retida por
capilaridade, B – água adsorvida à fração sólida e A – água na estrutura dos
constituintes da fração sólida (MARINHO & PEREIRA, 1998). Os pontos de inflexão
da curva apresentada nessa figura indicam a não continuidade hidráulica do solo e
dependem da distribuição de poros do solo. E indicam ainda que eventuais patamares
possam ser correlacionados aos patamares observados em curvas granulométricas
descontínuas.
21
10
0
2 3
4 5
6
7
10
20
30
40
50
60
Saturação
Entrada de Ar
W
o
Teor de Umidade Volumétrico (%)
Sucção (kPa)
A
B
C
Á
g
u
a
C
a
p
i
l
a
r
Á
g
u
a
A
d
s
o
r
v
i
d
a
Á
gu
a
E
s
t
r
ut
ur
al
10 10 10 10 10 10 10 10
Figura 3.2 – Formas de retenção de água no solo (MARINHO & PEREIRA, 1998).
3.3.1. Curva de Retenção
A curva apresentada na Figura 3.2, é denominada de curva retenção solo-água ou curva
de retenção é dada por sucção mátrica versus a umidade gravimétrica (w) ou umidade
volumétrica (θ
w
). Por vezes a sucção é relacionada ao grau de saturação.
A Figura 3.3 ilustra os parâmetros que podem ser obtidos de uma curva de retenção
onde: θ
s
– teor de umidade volumétrico saturado na curva de secagem; θ
s
’
– teor de
umidade volumétrico saturado na curva de umedecimento; θ
r
– teor umidade
volumétrico residual, ponto no qual a água somente sai do solo sob a forma de vapor, ou
seja, qualquer acréscimo na sucção não gera uma variação significativa da umidade;
AEV – valor de entrada de ar corresponde à sucção a partir da qual o ar no solo
apresenta-se interconectado. O grau de saturação residual (S
r
) é definido como o ponto
de saturação a partir do qual qualquer acréscimo na sucção mátrica ou total não produz
mais diminuição significativa na saturação.
O valor de entrada de ar é um parâmetro importante na modelagem do fluxo de água e
gás no solo, e pode ser obtido a partir da interseção entre a reta horizontal
correspondente ao estado saturado, com a reta tangente que passa pelo primeiro ponto
de inflexão da curva, sendo Ψ
b
a sucção correspondente ao AEV. A interseção entre a
reta tangente à curva e a reta que passa pelo valor de 10
6
KPa define o valor de umidade
volumétrica residual. Esse procedimento gráfico foi sugerido por FREDLUND & XING
(1994) e encontra-se demonstrado na Figura 3.3. Os referidos autores definiram de
forma teórica que, para sucção (Ψ) de 10
6
KPa, o valor correspondente de umidade seria
nulo.
Conforme observado na Figura 3.3, as curvas características podem ser obtidas pelos
métodos de secagem e umedecimento, e estas curvas não são iguais porque, em geral, a
umidade do solo para uma dada sucção é maior no processo de secagem do que no de
umedecimento de água. A diferença entre a curva de retenção de secagem e a de
umedecimento é chamada histerese.
22
60
50
40
30
20
10
0
0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Teor de Água Volumétrica
Q
(%)
0
s
0´
s
Valor de Entrada de Ar
Conteúdo de Ar Residual
Curva de Secagem
Curva de Umedecimento
Conteúdo de Água
Residual, 0
r
Sucção
y
(kPa)
(
y
i,
Qi)
y
p
(
y
r,
Q
r
)
Figura 3.3 – Parâmetros da curva de retenção de um solo siltoso (
FREDLUND &
XING,1994)
.
A Tabela 3.2 descreve uma síntese de algumas técnicas de laboratório e de campo para a
obtenção da sucção e elaboração da curva de retenção. As faixas de valores de sucção
medidas, o tempo e o tipo de medição também são indicados.
Tabela 3.2 – Técnicas para a medição da sucção, valores e tempo para medição (modificado de
MARINHO & PEREIRA, 1998).
Técnica Tipo de
Sucção
Uso Tipo de
Medição
Valores
(kPa)
Tempo
Psicrômetro Total e
Osmótica
Campo Indireta 100- 8000 Meses
Papel filtro Total e
Mátrica
Campo e
Laboratório
Indireta 0 - 29000
Semanas
Condutividade elétrica Mátrica Campo Indireta 20 -1500 Semanas
Condutividade térmica Mátrica Campo Indireta 0-400 Dias
Tensiômetro Total Campo Direta 0-90
Horas
Os valores apresentados não são absolutos e variam bastante na literatura
A Equação 3.2 apresenta a relação entre a altura capilar correspondente ao potencial
matricial do solo e o raio do poro.
wc
s
gh
T
r
ρ
2
= (Eq. 3.2)
Onde: r – raio do poro em metro (L);
T
s
– tensão superficial da água, 0,073 N/m a 20
0
C (MLT
-2
);
ρ
w
– massa específica da água, 1 g/cm
3
(ML
-3
);
h
c
- altura capilar em metro de coluna de água (L);
g – aceleração da gravidade, 9,8 m/s
2
(LT
-2
).
23
3.3.2. Modelos para a curva de retenção
Existe uma série de proposições de ajustes matemáticos que interpolam os dados
experimentais de forma a obter a curva de retenção. GERSCOVICH (2001) e
GERSCOVICH e SAYÃO (2002) realizaram estudos avaliando a aplicabilidade de
proposições empíricas para a modelagem da curva de retenção para solos brasileiros. Os
autores concluíram que a proposição de GARDNER (1958), seguida de VAN
GENUCHTEN (1980) e de FREDLUND & XING (1994), foram as que obtiveram o
menor valor erro (quadrado do somatório da diferença entre o valor de umidade
calculado e medido) para os solos analisados. A Tabela 3.3 descreve algumas
proposições para a modelagem da curva de retenção baseadas no resultados acima
descritos.
Tabela 3.3 – Proposições para modelagem da curva de retenção (modificado de
GERSCOVICH, 2001).
Referência Equação Definição de variáveis
GARDNER
(1958)
n
qΨ+
=Θ
1
1
rs
ws
θθ
θ
θ
−
−
=Θ
n e q = parâmetros de ajuste
Θ = teor de umidade normalizado
θ
s
= teor de umidade volumétrico correspondente à
saturação (adimensional)
θ
r
= teor de umidade volumétrico residual
(adimensional)
θ
w
= teor de umidade volumétrico (adimensional)
Ψ
= sucção (MLT
-2
)
VAN
GENUCHTEN
(1980)
( )
m
n
Ψα+
=Θ
1
1
Θ = teor de umidade normalizado
α, n e m = parâmetros de ajuste
Ψ
= sucção (MLT
-2
)
FREDLUND &
XING (1994)
Ψ
+
=
m
n
s
a
e
C
ln
)(
θ
ψθ
Ψ
+
Ψ
Ψ
+
−=
r
r
C
6
10
1ln
1ln
1)(
ψ
θ
s
= teor de umidade volumétrico correspondente à
saturação (adimensional)
Ψ
= sucção (MLT
-2
)
Ψ
i
e θ
i
– coordenadas correspondentes ao ponto de
inflexão da curva de retenção
Ψ
r
e θ
r
– coordenadas correspondentes ao ponto
onde a curva de retenção passa a decrescer
lineamente até 10
6
kPa
Ψ
b
– intercepto da reta tangente à curva de retenção
e o eixo da sucção mátrica (MLT
-2
)
s – inclinação da curva que tangencia o ponto de
inflexão da curva de retenção (MLT
-2
)
e = 2,718
Ψ
= 10
6
kPa (MLT
-2
)
a, n e m = parâmetros de ajuste
a = Ψ
i
Ψ
=
i
is
C
m
θ
θ
)(
ln67,3
(
)
*72,3
)(
31,1
1
s
mC
n
m
=
+
ψ
)ln(
ib
i
s
ψψ
θ
=
[ ]
rri
m
i
s
s
s
ψψψ
ψ
θ
6
101ln)(31,1
*
++
−=
24
MARINHO (1994a) apresenta a Equação 3.3 que possibilita uma idéia da magnitude da
sucção em solos compactados estaticamente ou sobreadensados, a partir do
conhecimento do limite de liquidez e do teor de umidade do material (compactado
estaticamente ou sobreadensado). Onde na Figura 3.4 (a) com o conhecimento do limite
de liquidez do material obtém-se C
ψ
e na Figura 3.4 (b) utilizando a razão w/C
ψ/
obtém-
se a sucção.
ψ
ψ
logba
C
w
−=
(Eq. 3.3)
Onde: a – parâmetro de ajuste;
C
ψ
– capacidade de sucção (adimensional).
O referido autor obtém o melhor ajuste de todos os pontos estudados para a = 4,97 e b
0,97.
Capacidade de Sucção (%)
Limite de Liquidez (%)
200 40
Sobre-adensado (secando)
Reconstituido (saturado e secando)
60
80 100 120 140 160
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Reconstituído
Lama
Compactação Dinâmica
Compactação Estática
Deformado
Indeformado
o
o
o
o
o
o
o
o
o
oo
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
(a)
0
1
2
3
4
10
01
10
02
10
03
10
04 05
10
Sucção (kPa)
w/C
+
Compactação Estática
London Clay
L40S
Janga Clay
LC50C
Boom Clay
Carsington Clay
(b)
Figura 3.4 – Gráficos que correlacionam: a) Relação entre o limite de liquidez e a capacidade
de retenção e b) Teor de umidade normalizado com a capacidade de sucção versus a sucção para
amostras compactadas estaticamente (MARINHO & PEREIRA, 1998).
25
3.3.3. Determinação da função permeabilidade
Tendo em vista que nos solos não saturados os poros são ocupados por ar e água, a
permeabilidade não saturada sofrerá redução. Esta redução dá-se em função dos
seguintes fatores: redução da área disponível para fluxo e aumento do número de poros
ocupados por ar, provocando uma descontinuidade líquida fazendo com que o fluxo da
água ocorra sob a forma de vapor. Em função do exposto, conforme ocorre o acréscimo
da permeabilidade ao ar, a permeabilidade à água diminui, comportamento observado
experimentalmente por IGNATIUS (1999). A permeabilidade à água varia duas ordens
de grandeza (10
-12
a 10
-10
m/s) no ramo seco da compactação, ao passo que, para a
mesma variação de umidade, a permeabilidade ao ar varia até cinco ordens de grandeza
(10
-3
a 10
-8
m/s).
A permeabilidade não saturada à água é importante porque governa os fenômenos
ligados ao movimento da água no solo. Contudo, este parâmetro é de difícil
determinação em laboratório. Baseados no conceito da relação entre a curva de retenção
e a permeabilidade não saturada, vários autores desenvolveram equações empíricas e
proposições estatísticas que relacionam estas propriedades (FREDLUND et al.,1994).
•
equações empíricas - estes métodos relacionam o coeficiente de permeabilidade e a
sucção ou a permeabilidade e o teor de umidade volumétrico, a partir de dados
experimentais e soluções matemáticas;
•
proposições estatísticas – são utilizados para previsão da permeabilidade não
saturada em função da permeabilidade saturada e da curva de retenção. Isto é
possível porque a função permeabilidade e a curva de retenção são dependentes da
distribuição dos poros no solo.
O programa SOILCOVER utiliza a proposição estatística de FREDLUND et al. (1994)
para predizer a permeabilidade não saturada do material conforme apresentado na
Equação 3.4.
(
)
(
)
( )
( )
( )
dye
e
e
dye
e
e
KK
y
b
y
s
y
w
y
b
y
w
y
w
s
AEV
∫
∫
Ψ
Ψ
−
Ψ−
=Ψ
)ln(
'
)ln(
'
)(
θ
θθ
θ
θθ
(Eq. 3.4)
Onde: K (Ψ) - permeabilidade não saturada, cm/s (LT
-1
);
K
s
- permeabilidade saturada, cm/s (LT
-1
);
Ψ
AEV
- sucção correspondente ao valor de entrada de ar, KPa (MLT
-2
);
Ψ- sucção, KPa (MLT
-2
);
b - ln (10
6
);
θ
w
- teor de umidade volumétrico (adimensional - L
-3
L
-3
);
θ
s
- teor de umidade volumétrico saturado (adimensional - L
-3
L
-3
);
e - 2,71828;
y - variável de integração que representa o logaritmo da sucção;
θ’ – primeira derivada da Equação FREDLUND e XING (1994) para a curva de
retenção (Tabela 3.3).
26
3.3.4. Modelagem Preditiva
A maior importância dos modelos hidrológicos no contexto da geração da drenagem
ácida é que a água resultante do balanço hídrico será uma fonte de transporte e
lixiviação dentro do depósito (DESTOUNI et al., 1998). Os métodos que consideram o
balanço hídrico têm, como dados de entrada, precipitação, evapotranspiração,
escoamento superficial e mudanças no armazenamento com o tempo.
A Figura 3.5 apresenta os processos geoquímicos e físicos importantes em uma pilha de
resíduo e sua relação com as diferentes variáveis, dentre elas, o fluxo de água e de gás.
Figura 3.5 – Processos geoquímicos e fisicos importantes em uma pilha de resíduo e sua
relação com as diferentes variáveis (modificado de STROMBERG, 1997 apud DESTOUNI et
al., 1998).
A Tabela 3.4 descreve alguns códigos numéricos disponíveis para modelar processos
físicos, mas ressalta-se que não se trata de um inventário de códigos disponíveis, e sim o
estado da arte da modelagem numérica. Nesta tabela encontram-se inclusos modelos
que consideram o fluxo não saturado e o balanço hídrico, bem como diferentes tipos de
modelo acoplados, que consideram fluxo de calor, gás e atividade microbiana e reações
geoquímicas.
Em geral, para efeito de projeto de sistemas de cobertura, a condução de modelagem
numérica visa à determinação da configuração do sistema de cobertura que ofereça
melhor desempenho quanto ao bloqueio de entrada de água e oxigênio. Os modelos
utilizados para esse fim são os denominados modelos de interação solo-atmosfera. Esses
modelos englobam, além das propriedades do solo, condições de fluxo tais como
infiltração, evaporação, evapotranspiração, etc. a fim de determinar o balanço hídrico da
forma mais realista possível (SWANSON, 1995). Como exemplo, cita-se o
SOILCOVER (GEOANALYSIS LTD., 2000), que é um modelo de elementos finitos 1-
Alteração de
minerais silicatados
Dissolução de
carbonatos
pH Atividade
microbiológica
Metais imobilizados
e remobilizados
Oxidação de sulfetos
Eh
Difusão de
gás
Transferência de
massa de oxigênio
Fluxo de
água
Liberação de metais
para a drenagem
27
D que determina a carga de pressão e temperatura em perfis de solo em resposta às
condições climáticas atuantes. O aspecto chave do SOILCOVER é a habilidade de
prever não somente o fluxo de água, mas também o fluxo de calor e umidade através do
movimento de vapor, bem como o fluxo de oxigênio. Os efeitos da vegetação sobre a
evapotranspiração também são computados pelo modelo. O programa requer, como
dados de entrada, dados climáticos diários (chuva, radiação líquida, temperatura do ar,
umidade relativa e velocidade do vento), bem como parâmetros de vegetação e
propriedades dos materiais.
Tabela 3.4 – Códigos Numéricos para modelagem de processos físicos relevantes na geração de
drenagem ácida, modificado de DESTOUNI et al. (1998).
Código Tipo Método de Solução Autor Comentários
DIFRES Transporte de oxigênio 1D, STEADY-STATE Collin et al. -
POLLUTE Transporte de oxigênio
em meio saturado
1D, SEMI-
ANALÍTICO
Rowe et al. -
FEMWATER Fluxo não saturado 2D, FEM Yeh & Wardm -
FLOWS Fluxo não saturado e
transporte de soluto
2D, FEM Noorishad
&Moharan
-
HELP Balanço hídrico 2D, ANALÍITICO, N-
R
Schroeder et al Hydological Evaluation of Landifill
Performance
HYDROS-2D Fluxo não saturado e
transporte de soluto
2D, FEM Simnek et al. -
ICE-1 Fluxo não saturado e
transporte de calor
1D El-Kadi &Cary Fluxo em solo congelado
MUDFLOW-
SURFACT
Fluxo não saturado e
transporte de soluto
3D, FDM - Modificação do MODFLOW para
fluxo saturado
SATURM Fluxo não saturado e
transporte de soluto
2D, FEM N-R Huyskorn et al. -
SOILCOVER Transporte de calor e
fluxo
1D, FEM Wilson &
Barbour
Descrição detalhada da interação solo-
atmosfera
Fluxo de oxigênio
SUTRA Fluxo não saturado,
transporte de soluto ou
calor
2D, FEM, IFDM Voss Fluxo e transporte de soluto e calor,
dependência do parâmetro temperatura
TARGET-2DU Fluxo de oxigênio e
transporte de calor
2D, IFDM Sharma -
TOUGH/THOY
GH2
Fluxo e transporte de
oxigênio e calor
3D, IFDM Pruess -
TOUGH AMD Fluxo e transporte de
oxigênio e calor
3D, IFDM Gélinas et al Inclui consumo de oxigênio devido à
oxidação da pirita e produção de sulfato
VADOSE Transporte de calor e
fluxo
2D, FEM Wilson &
Barbour
Descrição detalhada da interação solo-
atmosfera, interface CAD e CTRANS
(tranporte de contaminante)
FDE = Método de Diferenças Finitas; IFDM= Método de Diferenças Finitas Integradas; FEM = Método
de Elementos Finitos; FEM N--R = Método Newton-Raphson
28
O estudo comparativo utilizando diferentes métodos de análises considerando as
técnicas de mitigação de drenagem ácida otimiza os custos para a escolha da solução
adequada. Mas existe a limitação relativa à disponibilidade de dados para utilizar o
modelo, aliada às limitações econômicas e computacionais, bem como às incertezas
envolvidas em uma modelagem.
3.4. Dinâmica do gás no solo
Tal como a água, o ar é um componente dinâmico do solo e o movimento do ar no solo
pode-se dar pelo fluxo de ar no meio saturado (fluxo do ar dissolvido na água) ou pelo
fluxo do ar no meio não saturado (fluxo do ar nos poros conectados e preenchidos por ar
e fluxo do ar dissolvido na água).
O ar e a água podem se combinar como fluidos. A mistura ar-água pode ocorrer de duas
formas (BRADY, 1989; MARINHO & PEREIRA, 1998):
•
ar dissolvido na água – ocupa aproximadamente 2 % de um volume definido de
água (BRADY, 1989).
•
vapor d‘água dissolvido no ar - varia de 2x10
-6
% a 4% do volume do ar
(MARINHO & PEREIRA, 1998; BRADY, 1989).
São diversos os fenômenos que afetam o fluxo. Como mostrado na Tabela 3.5, os
processos envolvidos no fluxo de massa no meio poroso podem ser classificados como
processos físicos e processos químicos. Os primeiros descrevem a movimentação física
da substância no meio poroso, já os químicos estão relacionados à interação da
substância-solo, isto é, à transferência da substância para a fração sólida ou vice-versa.
Tabela 3.5 − Processos relacionados ao fluxo de substâncias em meio poroso.
Advecção Processos Físicos
Dispersão
Hidrodinâmica
Difusão molecular (gradiente de
concentração)
Dispersão mecânica (função do
processo de advecção)
Processos
Bioquímicos
PERDA ou GANHO
de massa de soluto
como resultado de
reações abióticas e
bióticas
Reações de Adsorção-Dessorção
Reações Ácido-Base
Reações de Dissolução-Precipitação
Reações de Oxidação-Redução
Processos Biogeoquímicos
A Figura 3.6 demonstra a representação de uma substância no espaço e no tempo devido
à advecção e à difusão. Notando que a advecção não apresenta a dispersão do
contaminante como na difusão.
29
Figura 3.6 – Representação do transporte de uma substância no espaço e no tempo devido (a)
advecção e (b) difusão (CHAPRA, 1997).
No solo, o fluxo advectivo do líquido e do gás ocorre devido ao gradiente de potencial
total. O fluxo difusivo, por sua vez, é um processo decorrente de um gradiente de
pressão parcial no ar ou de concentração no líquido ou sólido.
A difusão pode ser considerada o principal mecanismo de transporte de gás no solo
segundo XU et al. (1992), RENAULT & SIERRA (1994), STEELE & NIEBER (1994),
RITCHIE (1995), KUO & RITCHIE (1999) e WEERTS et al. (2000). Contudo, em
solos grossos a advecção pode ocorrer e não deve ser desprezada (RENAULT &
SIERRA, 1994, KUO & RITCHIE, 1999, WEERTS et al., 2000, HILLEL, 1980).
O íon pode difundir no solo tanto na fração gasosa como na líquida e na sólida.
Contudo, nesta última o fluxo difusivo é extremamente lento (PREVEDELO, 1996).
3.4.1. Advecção de gás no solo
A advecção é o deslocamento relativo de um material em relação a um observador sob
ação de forças. O fluxo advectivo está associado à velocidade própria do material ou do
meio no qual ele está sendo transportado, conforme apresentado na Equação 3.5.
F = Cv
a
(Eq. 3.5)
Onde F – fluxo da espécie química (ML
2
T
-1
);
C – concentração da espécie química por unidade de volume (ML
-3
);
v
a
– velocidade linear de advecção (LT
-1
);
No caso do transporte de gases, o processo advectivo é caracterizado pela velocidade de
fluxo do gás, sem alterar a sua concentração. O ar pode movimentar-se no solo por
advecção e, para tanto, depende da variação de pressão total do ar (corrente de vento,
variação da densidade do ar em função da estratificação térmica e alteração da pressão
barométrica). Quando a advecção dos gases é causada por gradientes de temperatura e
gradientes de pressão, que consequentemente alteram a densidade do ar, pode ser
denominada de convecção atmosférica de acordo com KUO & RITCHIE (1999). Nesta
dissertação será empregado o termo descrito por HILLEL (1980) que considera
convecção como sinônimo de advecção.
30
Como citado anteriormente, o gás pode dissolver-se na água e ser transportado também
por advecção quando a água infiltra no solo com elevado grau de saturação (MORIN et
al., 1991 e WERNER & BERGLUND, 1999; KIM & BENSON, 1999). Ou seja,
quando a chuva infiltra-se no solo, o nível de água oscila ou, quando ocorre extração da
água do solo pela planta, o fluxo de gás no solo torna-se dependente do movimento da
água (gradiente hidráulico e permeabilidade saturada) e da taxa de dissolução dos gases
na água. KIM & BENSON (1999) afirmam que o fluxo de oxigênio por advecção na
fase líquida é dez vezes menor do que o fluxo total do oxigênio em solos pouco
permeáveis devido à pequena taxa de infiltração. Desta forma, este fluxo pode ser
considerado desprezível neste tipo de solo. Em solos bastante permeáveis a taxa de
infiltração deve ser considerada na estimativa do fluxo de gases (MORIN et al., 1991).
A Figura 3.7 descreve os três mecanismos principais que ocasionam gradientes de
pressão total no interior de uma pilha de resíduos e solos: correntes de vento,
estratificação térmica e alterações nas pressões atmosféricas (HILLEL, 1980; MORIN
et al., 1991; YANFUL, 1993; PERKINS et al., 1995; NICHOLSON et al., 1997;
NICHOLSON & SCHARER, 1998 e KUO & RITCHIE, 1999). Estes dependem
significativamente da permeabilidade do material ao ar.
ADVECÇÃO
Corrente
de Vento
Pilha de Resíduo
ADVECÇÃO TÉRMICA
Fonte
de Calor
Pilha de Resíduo
Pilha de Resíduo
PRESSÃO BAROMÉTRICA
(a)
(b)
(c)
Figura 3.7 – Desenho esquemático das três condições que provocam o fluxo de ar na pilha de
rejeito por gradiente de pressão, sendo: a) correntes de vento, b) convecção térmica e c)
alterações nas pressões atmosféricas (MORIN et. al., 1991).
O vento provoca um fluxo para dentro do solo ou da pilha no sentido do vento,
renovando o ar nos poros. Segundo MORIN et al. (1991), este fluxo é importante em
pilhas acima da superfície.
O fluxo por gradiente de calor passa a ser significativo em solos ou pilhas localizados
em depressões. Reações de oxidação, que são exotérmicas, provocam uma elevação da
temperatura (acima de 60
0
C) no interior da pilha de resíduo e este fenômeno causa a
redução da densidade do ar (tornando-o mais leve), originando um movimento
ascendente do ar para fora da pilha, bem como a entrada do ar atmosférico no sentido
contrário (convecção). Este movimento será tanto mais significativo quanto maior for a
diferença de temperatura dentro da pilha e a temperatura ambiente (SMOLENSKY et
al., 1999, WELS et al., 2003). Segundo MORIN et al. (1991) e WELLS et al. (2003) a
advecção térmica seria a forma dominante do fluxo advectivo nas pilhas de resíduos
geradores de acidez. SMOLENSKY et al. (1999) e KUO & RITCHIE (1999)
31
concluíram que a convecção e a difusão ocorrem simultaneamente no centro de uma
pilha de resíduos, mas em sentidos opostos, prevalecendo o sentido do fluxo difusivo.
Segundo MORIN et al. (1991), a pressão barométrica reflete o ajuste de pressão do ar
contido nos poros e a mudança na pressão atmosférica. Quando a pressão atmosférica
aumenta, o ar atmosférico entra na pilha, já quando a pressão atmosférica cai, o ar sai
dos poros da pilha (WELS et al., 2003, SMOLENSKY et al., 1999). Este fluxo ocorre
preferencialmente na superfície da pilha ou no solo (WELS et al., 2003). BOUAZZA &
VANGPAISAL (2003) citam que este fenômeno é o que ocorre com mais freqüência
em aterros sanitários.
As alterações nas pressões atmosféricas tendem a gerar fluxos advectivos de oxigênio
pouco significativos em pilhas de resíduos geradores de acidez ao contrário das
correntes de vento e dos efeitos termais (YANFUL, 1991; YANFUL et al., 1993). À
medida que as correntes de vento fazem com que o oxigênio entre nas pilhas de forma
turbulenta, oxigenando o sistema, os efeitos termais surgem a partir do calor gerado pela
reação exotérmica de oxidação dos sulfetos nas pilhas de rejeito de forma mais lenta
(DAVIS et al., 1996; PERKINS et al., 1995; SCENES, 1990; NICHOLSON &
SCHARER, 1998; SMOLENSKY et al., 1999 e KUO & RITCHIE, 1999, WELS et al.,
2003).
3.4.2. Difusão de gás no solo
A difusão possibilita a movimentação extensiva de gases de uma área para outra, sem
que haja gradiente de pressão total. Existe, no entanto, um gradiente de concentração
para gases específicos, expresso como gradiente de pressão parcial que é a força motriz
deste movimento. A Figura 3.8 ilustra como o fenômeno da difusão de gás ocorre no
solo.
Molécula de oxigênio
Molécula de dióxido de carbono
A´A
Figura 3.8 – Ilustração do processo de difusão (BRADY, 1989).
A pressão total do gás é a mesma nos dois lados da linha limítrofe (A-A) na Figura 3.8.
A pressão parcial do oxigênio é, entretanto, maior na parte superior do recipiente. Este
gás tende, portanto, a difundir-se para a parte inferior, onde são encontradas moléculas
de oxigênio em menor quantidade. Por outro lado, as moléculas de gás carbônico
movimentam-se na direção oposta, por causa da pressão parcial mais elevada deste gás
na metade inferior. O equilíbrio será eventualmente estabelecido quando as pressões
parciais do oxigênio e do gás carbônico forem respectivamente iguais em ambos os
lados da linha limítrofe (BRADY, 1989).
32
Se a pressão total nos poros do solo e na atmosfera for coincidente, mas se a
concentração de oxigênio na atmosfera for maior do que no solo, resultará em um
movimento específico desse gás para o solo. Haverá simultaneamente uma
movimentação em sentido contrário do gás mais abundante nos poros do solo e do vapor
de água.
A abundância de um gás no solo é determinada pela quantidade de poros cheios de ar e
pela solubilidade deste gás nos poros cheios de água. A atmosfera acima do solo contém
aproximadamente 21% de oxigênio, 0,03 % de gás carbônico e 79% de nitrogênio
(BRADY, 1989), onde o percentual desses gases pode variar se o ar estiver seco ou
úmido, e em função do percentual de gases traços dissolvidos (MARINHO, 1994a). O
solo em comparação ao ar terá o mesmo percentual ou pouco mais de nitrogênio e
menos de oxigênio (YANFUL et al., 1993) devido à atividade microbiológica que
consome o oxigênio e libera gás carbônico. Reduzidos percentuais de oxigênio no solo
ocorrem quando estes possuem elevado teor de umidade, predominando o percentual do
oxigênio dissolvido na água do solo (BRADY, 1989).
Uma importante característica química dos solos e que se relaciona com sua aeração
consiste nas condições de oxidação e redução dos elementos químicos neles contidos.
AACHIB et al. (2004) citam que a difusão de gás afeta uma série de processos de troca
que incluem: denitrificação; respiração nas raízes; biometabolismo; formação de
metano; volatilização de compostos orgânicos; oxidação/redução de elementos
presentes no solo entre outros. HILLEL (1998) afirma que condições anaeróbias no solo
induzem a uma série de reações químicas e bioquímicas de redução, ao passo que nas
aeróbias predominam condições oxidantes. Uma indicação das condições de oxidação e
de redução dos sistemas é fornecida pelo potencial redox (Eh).
A Figura 3.9 ilustra a correlação entre a concentração do oxigênio no solo e o potencial
redox (Eh). Pode-se observar que o potencial redox diminui com o decréscimo da
umidade do solo e que a redução é proporcional à redução da concentração do oxigênio
do solo (BRADY, 1989). Ou seja, quanto mais saturado o solo, mais redutor torna-se o
ambiente, fator este que inibe a oxidação das substâncias orgânicas e inorgânicas
presentes no solo.
Potencial redox
Dias de secagem do solo
Potencial redox (mV)
600
400
200
0
121086420
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Oxigênio no solo (%)
Percentual de O
2
Figura 3.9 - Correlação entre o potencial redox e a concentração de oxigênio nos poros do solo
(BRADY, 1989).
33
Existe também uma variação sazonal da concentração de gases no solo que pode ser
atribuída à diferença de umidade e temperatura, no solo e na atmosfera. O mesmo
raciocínio pode ser aplicado aos sistemas de cobertura, e tal fato já foi relatado em
controle de campo por DAVIS et al. (1996) e MACIEL (2003). Uma elevada umidade
no solo, nos meses mais úmidos, tende a favorecer um baixo nível de oxigênio em
detrimento a gases mais redutores. Nos meses mais secos, os solos apresentam menor
umidade ocasionando uma maior concentração de oxigênio, ou seja, predominando um
ambiente mais oxidante.
A difusão de gases nos solos ocorre principalmente a partir dos poros conectados e
preenchidos por ar (espaço compreendido entre as partículas sólidas e os filmes de
água). É considerado o processo mais importante responsável pela troca gasosa do solo
com a atmosfera, principalmente em solos finos (NICHOLSON et al., 1989;
FREDLUND & RAHARDJO, 1993, IGNATIUS, 1999). Quando o grau de saturação é
elevado o ar fica ocluso e o fluxo de gasoso por difusão reduz-se e passa a depender da
dissolução dos gases na água.
3.4.2.1. Equações para o fluxo difusivo
No campo da química existem duas teorias para descrever o fluxo difusivo: a primeira
de Fick e a segunda a Teoria de Stefan-Maxwell.
A primeira Lei de Fick é definida pela Equação 3.6:
( )
dx
dC
DtF
i
imi
−=
(Eq. 3.6)
Onde: F
i
– fluxo difusivo unidimensional do componente
i
(ML
-2
T
-1
);
D
im
– coeficiente de difusão da espécie i no meio (L
2
T
-1
);
C
i
– concentração do gás i (ML
-3
);
x – profundidade no interior do solo (L).
O coeficiente de difusão fornece informações sobre o meio onde ocorre o transporte, ou
seja, gasoso, líquido ou sólido. Do ponto de vista físico, esse coeficiente está
relacionado com o inverso da resistência que o meio oferece ao transporte de uma
espécie
i
. A partir de informações experimentais, Fick observou que o coeficiente de
difusão depende da densidade do meio, da temperatura e da natureza da espécie que
migra (tamanho, forma, natureza química entre outros).
A Lei de Fick somente é válida quando atende as seguintes condições:
•
Misturas binárias ideais - no caso de mistura não ideal o coeficiente de difusão
perde o seu sentido físico, porque esta lei não incorpora a não idealidade do
sistema;
•
Difusão de espécie diluída em mistura multicomponente – o coeficiente de
difusão estará relacionado ao inverso da resistência do movimento da espécie
diluída na mistura, onde apenas uma componente é transferida;
•
Ausência de outros campos de força – considera que o movimento difusivo
deve-se apenas ao gradiente de concentração.
34
Como descrito anteriormente, a Lei de Fick é válida apenas para condições de misturas
binárias e ausência de campos elétricos e centrífugos. Já o modelo de Stefan-Maxwell
tem sido proposto para descrever o transporte de massa em sistemas multicomponentes,
com não idealidade termodinâmica e influência de campos de força externos ao
movimento difusivo (REIS & NICOLAIEWSKY, 2005).
a) Difusão em meio gasoso (10
4
a 10
-5
cm
2
/s)
Em um gás a baixa densidade, as moléculas encontram-se, na maior parte do tempo,
afastadas uma das outras e movendo-se com elevada velocidade, e a energia que
governa o sistema é a energia cinética. Mesmo que o sistema esteja em equilíbrio, as
moléculas encontram-se em constante movimento devido à agitação térmica. Na
ausência de potencial químico, nenhuma direção é favorecida e a molécula tem
movimento aleatório, e cada molécula tem a mesma probabilidade de mover-se nas três
direções. Diversos modelos foram desenvolvidos para calcular o coeficiente de difusão
em gases: GILLILAND (1934), FULLER
et al
. (1966), HIRSCHFELDER
et al
(1949),
entre outros.
b) Difusão em meio líquido (10
-7
a 10
-9
cm
2
/s)
Os líquidos são caracterizados por uma estrutura desordenada de moléculas que se
interagem por forças intermoleculares. Existe uma dificuldade de tratar do estado
líquido, porque, sob certas condições, apresenta característica de gás (movimento
aleatório das moléculas) e, em outras, como de sólido (aglomerado de moléculas
ordenadas devido a potenciais de interação). Apesar de existirem resultados confiáveis
de coeficiente de difusão em fase líquida disponíveis na literatura, ainda há muita
discussão sobre o mecanismo de difusão nesse estado da matéria.
Por tratar-se de um assunto controverso, várias teorias foram desenvolvidas e podem ser
agrupadas nas seguintes abordagens: teoria cinética (equação de Chapman-Enskog
modificada); teoria hidrodinâmica (equação de Stokes-Einstein); e teoria do estado
ativado (equação de Eyring).
c) Difusão em meio sólido (10
-10
a 10
-37
cm
2
/s)
A difusão em sólidos pode ser separada em três estudos distintos:
•
Sólidos porosos
A difusão em materiais porosos é conhecida como difusão de Knudsen. A difusão de
Knudsen ocorre quando o diâmetro médio do poro é da ordem de grandeza do caminho
livre médio da molécula (distância média percorrida entre duas colisões). Para esse tipo
de difusão, as moléculas colidem com mais freqüência com as paredes do poro do que
com outras moléculas (IGNATIUS, 1999). Tais colisões com a parede retardam o
movimento da molécula. O coeficiente de difusão de Knudsen é obtido a partir da teoria
cinética dos gases, relacionando o diâmetro do poro e o caminho livre médio do gás,
conforme apresentado na Figura 3.10.
Considerando a teoria cinética dos gases, o coeficiente de Knudsen pode ser escrito da
seguinte forma:
2/1
,
8
3
2
=
A
k
KA
M
RT
r
D
π
(Eq. 3.7)
35
Onde: r – raio do poro, m (L);
R – constante de Reynoult, 0,083144 JK/mol (ML
2
T
-2
ΘN
-1
);
T
k
– temperatura absoluta (Θ);
M
A
- massa molar do componente (N).
Para poros grandes:
Para poros pequenos:
A probabilidade de choques entre
as moléculas é muito maior do
que a probabilidade de choques
com as paredes.
A colisão é
preferencialmente
com a parede do poro.
D
∝
A
U
lm
A
3
3
A,K
D
∝
U d
A
Figura 3.10 – Representação esquemática da difusão em poros. Onde: U
A
- velocidade da
espécie A, λ
lm
– caminho livre médio do gás e d é o diâmetro do poro (REIS &
NICOLAIEWSKY, 2005).
Segundo HILLEL (1998), este fenômeno é pouco provável de ocorrer em condições
normais em solos, porque o diâmetro do poro é muito maior do que o caminho livre
médio das moléculas.
•
Sólidos cristalinos
Segundo REIS & NICOLAIEWSKY (2005) e conforme apresentado na Figura 3.11,
diferentes tipos de mecanismo de difusão podem ocorrer: a) dois átomos trocam de
posição na rede cristalina perfeita; b) quatro átomos mudam de posição
simultaneamente; c) transferência do átomo da sua posição original para posição vaga
ao lado; d) difusão de íon de pequeno raio através da rede cristalina; e) movimento do
átomo no interstício da rede cristalina que atrai o átomo da rede cristalina.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Figura 3.11 – Representação esquemática do mecanismo de difusão em sólidos cristalinos
(REIS & NICOLAIEWSKY, 2005).
36
Estes mecanismos são válidos para o transporte em cristais. Entretanto, para a difusão
em sólidos reais, pode haver diferentes mecanismos que regem o comportamento de
transporte de átomos. Os coeficientes de difusão calculados a partir desses mecanismos
são significativamente maiores do que os valores encontrados que são da ordem de 10
-10
a 10
-37
cm
2
/s. Este fenômeno difusivo explica a substituição isomórfica nas argilas.
A maioria dos trabalhos referentes ao estudo do transporte de massa utiliza a descrição
clássica de Fick para o fluxo difusivo. Nesta teoria, os efeitos da não idealidade são
incorporados ao coeficiente de difusão, diferente da proposta de Stefan-Maxwell em que
estes efeitos fazem parte da força motriz. Ou seja, no modelo convencional Fickiano,
todas as incertezas são associadas ao coeficiente de difusão e, por isso, a sua
variabilidade é alta. É possível estabelecer uma relação numérica entre o coeficiente de
difusão Fickiano e o de Stefan-Maxwell. Mas em sistemas binários, em pressões baixas
ou moderadas e misturas líquidas termodinamicamente ideais, o coeficiente de difusão
de Stefan-Maxwell é independente da composição e os coeficientes de difusão das duas
teorias passam a ser iguais.
3.4.2.2. Fluxo difusivo de gás no solo
TINDALL et al. (1999) afirmam que, historicamente, a lei de Fick tem sido usada para
modelar o fluxo de gás no solo. Atualmente são conhecidos quatro tipos diferentes de
difusão que podem ocorrer simultaneamente no solo: a difusão ordinária ou de Fick,
Knudsen, não equimolar e fluxo na superfície.
A difusão ordinária, representada pela lei de Fick, refere-se ao movimento das
moléculas da região de maior concentração para a de menor concentração e ocorre
quando a trajetória livre média da molécula de gás é menor do que o diâmetro do poro.
Quando o comprimento da trajetória livre média das moléculas do gás for da ordem de
grandeza do tamanho do poro, o fluxo é chamado de difusão Knudsen, como descrito
anteriormente.
A difusão não equimolar ocorre quando gases de diferentes pesos moleculares difundem
entre si. O gás mais leve difunde em direção ao gás mais pesado de forma mais rápida,
causando uma diferença na pressão total onde está o gás mais pesado. A diferença da
pressão faz com que o gás mais pesado fique menos viscoso e flua em direção ao gás
mais leve até que o sistema atinja o equilíbrio.
O quarto tipo de difusão denominado fluxo de superfície refere-se a gases não reativos
que, quando entram em contato com a superfície do solo, tendem a difundir pela fase
aquosa adsorvida em função do gradiente de concentração.
A Teoria de Stefan-Maxwell pode ser aplicada para calcular todos os tipos de difusão
acima descritos (REIS & NICOLAIEWSKY, 2005).
Os ensaios de laboratório, normalmente, medem um coeficiente de difusão que engloba
todos os coeficientes de difusão acima descritos. Mas pode-se assumir que os demais
coeficientes de difusão em relação ao ordinário que tornam-se pouco significativos.
37
Segundo TINDALL et al. (1999), a difusão dos componentes água e ar a partir do solo e
de resíduos não reativos obedece à primeira lei de Fick para o regime estacionário. No
caso do fluxo unidimensional de gás no solo, este ocorrerá preferencialmente nos poros
preenchidos por ar, e a Equação 3.6 pode ser reescrita conforme apresentado na
Equação 3.8, onde:
( )
dx
dC
DtF
eq
*
θ
−=
(Eq. 3.8)
Onde: F – fluxo de massa de gás no solo (ML
-2
T
-1
);
θ
eq
– porosidade de ar equivalente (adimensional - L
3
L
-3
);
D
*
– coeficiente de difusão total do gás que migra no solo (L
2
T
-1
);
C – concentração do gás (ML
-3
);
x – profundidade no interior do solo (L).
Não se pode desprezar a parcela de fluxo de gás a partir dos poros saturados,
principalmente em elevados graus de saturação, por isso, AUBERTIN
et al.
(1999 e
2000) propõem a substituição do termo
θ
a
pelo
θ
eq
, conforme apresentado na Equação
3.9.
waeq
H
θ
θ
θ
+
=
(Eq 3.9)
Onde:
θ
eq
– porosidade de ar equivalente (L
3
.L
-3
);
θ
a
– teor de ar volumétrico (adimensional - L
3
.L
-3
);
θ
w
– teor de umidade volumétrico (adimensional - L
3
L
-3
);
H – constante de equilíbrio de Henry (H=C
w
/C
a
), sendo aproximadamente 0,03 a
20
0
C.
O conteúdo de ar no solo é utilizado para o cálculo da difusão, mas a Figura 3.12
descreve a relação entre o grau de saturação e a relação
θ
a
/
θ
eq
e demonstra a importância
de se considerar o uso do
θ
eq
ao invés de
θ
a
porque parte do oxigênio passa a dissolver-
se e difundir pela água, e isto torna-se relevante em graus de saturação acima de 80%. A
Equação 3.6 somente considera o fluxo na fase ar, ao substituir
θ
a
por
θ
eq
, como na
Equação 3.8, integra-se a esta análise o fluxo do gás dissolvido na água. Dessa forma, o
coeficiente de difusão efetivo (D) pode ser obtido a partir da relação apresentada na
Equação 3.9.
D
=
θ
eq
D
*
(Eq. 3.10)
A Equação 3.7 pode ser reescrita para o regime transiente (segunda Lei de Fick),
conforme apresentado na Equação 3.11. Esta equação somente é válida para material
inerte onde não ocorre geração ou consumo do gás que está sofrendo difusão.
(
)
2
2
2
2
*
x
C
D
x
C
D
t
C
eq
eq
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
θ
θ
(Eq. 3.11)
38
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
θ
θ
θ
θ
eq
/
θ
θ
θ
θ
a
Figura 3.12 – Ilustração mostrando a relação θ
eq
/θ
a
com o Grau de Saturação.
3.4.2.3. Fatores controladores da difusão de gás no solo
Os solos atuam como barreira para a difusão livre dos gases em função da presença de
obstáculos sólidos e líquidos. Diante do exposto, o coeficiente de difusão de um gás no
solo é menor do que o coeficiente de difusão do gás no ar (HILLEL, 1998).
WEERTS et al. (2000) afirmam que o coeficiente de difusão de um gás no solo é
afetado por três fatores principais:
•
coeficiente de difusão molecular do gás no ar;
•
conteúdo volumétrico de gás nos poros conectados (θ
ac
);
•
mobilidade das moléculas de gás em função da geometria dos caminhos.
O coeficiente de difusão de um gás no solo é dependente: dos poros preenchidos por ar,
do retardamento e do consumo de gases e dos compostos químicos voláteis do solo
(MOLDRUP et al., 2000b).
Conclui-se então que a difusão de gases no solo varia em função:
•
das características físicas do solo – destacam-se a textura (percentual de argila) e
a estrutura do solo (arranjo das partículas e agregados), que se refletem na
porosidade, distribuição dos poros, tamanho dos poros, umidade volumétrica,
porosidade preenchida por ar, distribuição da água nos poros. Podendo este
comportamento ser analisado a partir da curva de retenção. Outro fator que deve
ser observado é a presença ou ausência de trincas (HERS et al., 2000);
•
das propriedades químicas do ar – temperatura, viscosidade do gás, mobilidade
do gás nos poros livres, gradiente de pressão parcial e/ou concentração;
•
do retardamento ou da geração – consumo ou geração de gases por parte dos
microorganismos, matéria orgânica ou inorgânica do solo.
39
a) características físicas do solo
A porosidade é um fator muito importante a ser considerado na obtenção do coeficiente
de difusão efetivo. Este índice físico determina o volume disponível no meio poroso
para que a difusão ocorra, no caso de gás, corresponde ao volume de ar.
DE VRIES (1952) apud CURRIE (1960b) e DE VRIES (1950) apud CURRIE (1961)
mostram que a relação entre o coeficiente de difusão efetivo e os poros preenchidos por
ar é curvilinear e dependente da geometria do poro. Os autores afirmam ainda que não é
esperado que a difusão seja a mesma para diferentes tipos de solo e umidade.
Em meios porosos, pode-se considerar que as moléculas de gás são bem menores do que
os poros, consequentemente, a difusão de gás é pouco afetada pela forma da superfície
sólida ou pela distribuição do tamanho dos poros. Somente em um meio com baixíssima
pressão de gás (ar rarefeito) e poros extremamente pequenos, é que a relação tamanho
do poro e o tamanho de molécula não se torna mais tão grande, permitindo desse modo,
que as moléculas de gás colidam com a parede do poro e não mais entre si. Neste caso, a
difusão molecular passa a ser afetada pelo tamanho e pela forma do poro e é chamada
de Difusão de Knudsen (HILLEL, 1998), como explicado anteriormente.
MOLDRUP et al. (2000a e 2000b) demonstram que o transporte de gás em amostras
indeformadas e deformadas (remoldadas) são diferentes. TROEH et al. (1982) e
SCHJONNING et al. (1999) que consideram que a tortuosidade depende da estrutura do
solo. Este fator indica então, que nos solos compactados, devido ao menor tamanho dos
poros, o fluxo difusivo torna-se mais lento do que no solo em seu estado natural.
O efeito da compactação na difusão de gás foi estudado por XU et al. (1992) em dois
solos grossos com conteúdo de ar variando de 0,3 a 0,5 e em dois solos finos com
conteúdo de ar variando de 0 a 0, 42. Estes autores determinaram o coeficiente de
difusividade para estes solos, onde os solos grossos apresentaram valores de 0,13 a 0,33
e os finos 0 a 0,22.
RENAULT & SIERRA (1994) afirmam que, em solo com elevado grau de saturação, os
parâmetros estruturais (tortuosidade) passam a ter menos importância porque o fluxo
passa a depender mais da solubilidade deste gás na água, conforme apresentado na
Figura 3.12.
Várias definições de tortuosidade encontram-se relatadas na literatura, o que contribui
para uma confusão acerca do uso do termo. Optou-se pela definição que a tortuosidade
(τ) é dada pela relação do comprimento médio do tubo capilar (L
e
) e o comprimento do
tubo sinuoso de diâmetro uniforme (L
s
), conforme apresentada na Equação 3.12. A
demonstração da obtenção deste parâmetro encontra-se no ANEXO I.
τ= (L
e
/L
s
)
2
(Eq. 3.12)
Assumindo que a difusão no meio poroso ocorre em tubos tortuosos e de diâmetro
constante, a relação entre difusividade (D/D
0-ar
) e tortuosidade (τ) é dada pela Equação
3.13:
40
2/1
0
2
0
=⇒
=
−
−
D
D
L
L
D
D
ara
e
s
a
ar
θ
τθ
(Eq. 3.13)
Onde: θ
a
– teor de ar volumétrico (adimensional - L
3
L
-3
);
L
e
- comprimento médio do tubo capilar (L);
L
s
- comprimento do tubo sinuoso de diâmetro uniforme (L);
D
0-ar
– coeficiente de difusão do gás no ar (L
2
T
-1
);
D – coeficiente de difusão efetivo do gás no solo (L
2
T
-1
);
τ - fator de tortuosidade (adimensional).
Como
θ
a
depende da porosidade e grau de saturação do meio, pode-se afirmar que a
tortuosidade também depende destes fatores como apresentado na Figura 3.13.
Segundo MOLDRUP et al. (2001), a difusão de solutos e de gases pode ser usada para
descrever e entender a tortuosidade no meio líquido e gasoso do solo. A tortuosidade
destes dois meios é levemente diferente, e quase sempre a tortuosidade para um mesmo
grau de saturação é maior na fase líquida do que na gasosa, com exceção dos solos de
textura grossa ou deformados.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.8
0.6
S
w
= 0.50
S
w
= 0.40
S
w
= 0.30
S
w
= 0.20
S
w
= 0.10
S
w
= 0.00
Porosidade n
Tortuosidade
t
Figura 3.13 – Fator de tortuosidade como função do grau de saturação (AACHIB et al., 1993
apud TREMBLAY, 1995).
Os coeficientes de tortuosidade de gases e líquidos são semelhantes para solos arenosos
provavelmente devido à pequena capacidade de retenção de água por parte deste tipo de
solo. Quanto mais fino o solo maior é a diferença entre a tortuosidade da fase aquosa e
41
da fase gasosa, porque, em baixos teores de umidade, existe um filme em torno dos
agregados tornando a difusão da espécie dissolvida na água mais tortuosa, ao passo que
a espécie que migra pelo ar mantém-se semelhante à do solo seco (MOLDRUP et al.,
2001).
O percentual de finos presentes no solo influencia na estrutura do solo e na capacidade
de retenção, sendo o valor de entrada de ar importante no estudo da difusão, porque a
sucção abaixo deste ponto indica que os poros com ar estão interconectados.
MOLDRUP et al. (2001) discutem em que limite a tortuosidade do gás e do líquido são
iguais. Propõem a relação θ
w
/
θ
a
(θ
w
– teor de umidade volumétrico e
θ
a
- teor de ar
volumétrico) para obter este ponto, onde para solos arenosos seria igual a 0,5 e maior do
que este valor para os solos mais finos. Portanto, para altos valores de umidade decresce
a tortuosidade da fase aquosa e aumenta a tortuosidade da fase gasosa (devido à redução
do volume de ar). Conforme a umidade decresce, caminha-se para um ponto em que os
valores do coeficiente de tortuosidade nos dois meios aproximam-se um do outro. Isto
tem importante implicação no entendimento e na modelagem do fluxo difusivo e
convectivo de líquidos e gases no solo não saturado, porque para um determinado valor
de poros preenchidos por ar, a tortuosidade da fase gás no solo úmido é maior do que no
solo completamente seco.
O coeficiente de difusão do gás no ar é diferente do que na água e, para elevada
umidade e consequente saturação, o gás tenderá a difundir pela água e não pelos poros
não saturados no interior das partículas devido à falta de conectividade. RENAULT &
SIERRA (1994) afirmam que, para elevados graus de saturação, a difusão do oxigênio
pelos poros maiores reduz-se, limitando o fluxo deste gás.
O efeito de histerese decorrente dos ciclos de umedecimento e secagem, em meios
porosos, somente provocaria histerese do comportamento difusivo se a fase gás se
tornasse oclusa durante a fase de secagem, não permitindo o acesso da água no próximo
evento de umedecimento (STEELE & NIEBER, 1994).
A propriedade do gás pode ser separada das propriedades do meio poroso, a partir da
consideração da relação entre D/D
0-ar
, conhecida como difusividade relativa (D –
coeficiente de difusão efetivo do gás no meio poroso e D
0-ar
– coeficiente de difusão do
gás no ar com valores tabelados) que, por alguns autores, é definida como fator de
tortuosidade, difusividade ou coeficiente de difusão relativo (WEERTS et al., 2000).
Nesta tese será considerado como coeficiente de difusão relativo.
b) propriedades químicas do gás
HILLEL (1998) afirma que o coeficiente de difusão do ar (mistura de gases) varia em
função do peso molecular dos diferentes gases que o compõem e, em geral, o
coeficiente de difusão é maior para o gás que apresenta peso molecular menor. Na
Tabela 3.6 pode-se observar o coeficiente de difusão para alguns gases no ar e na água
em condições normais de temperatura e pressão.
42
Tabela 3.6 – Coeficiente de difusão na condição padrão de temperatura (25
0
C) e pressão
atmosférica (HILLEL, 1998).
Coeficiente de difusão (m
2
/s)
Ar Água
CO
2
1,64 x 10
-5
1,6 x 10
-9
O
2
1,98 x 10
-5
1,9 x 10
-9
Vapor de água 2,56 x 10
-5
-
N
2
- 2,3 x 10
-9
NaCl - 1,3 x 10
-9
- valor não disponível
A difusão do gás na água presente no solo passa a ser relevante nas condições de grau
de saturação acima de 70%, condição em que θ
ar
/θ
eq
diverge de 1. O coeficiente de
difusão do oxigênio na água, por exemplo, é quatro ordens de grandeza mais lento do
que no ar.
RENAULT & SIERRA (1994) afirmam que, na porção superior do solo, a concentração
de oxigênio é da ordem de 20,9%, e que esta concentração varia em função da pressão
(barométrica) e da temperatura. A temperatura afeta a solubilidade do gás na água, e
consequentemente afeta a difusão.
CURRIE (1960a) observou a dependência da difusão com relação à pressão e
temperatura e apresentou a Equação 3.14 para descrever este fenômeno.
p
p
T
DD
n
k
PT
0
,0
273
= (Eq. 3.14)
Onde: n - constante que varia de 1,5 a 2;
D
0
– coeficiente de difusão do gás em solução livre em condições normais de
temperatura e pressão (L
2
T
-1
);
D
T,P
– coeficiente de difusão na T e P do ensaio (L
2
T
-1
);
T
k
– temperatura do ensaio em graus Kelvin (Θ);
p
0
– pressão atmosférica (ML
-1
T
-2
) ;
p – pressão do ensaio (ML
-1
T
-2
).
BATTERMAN et al. (1996) e AACHIB et al. (2004) apresentam um fator de correção
para o coeficiente de difusão para temperatura de 25
0
C (Equação 3.15).
2/3
0
298
=
k
T
T
DD
(Eq. 3.15)
Onde: D
T
– coeficiente de difusão na temperatura do ensaio (L
2
T
-1
);
T
k
– temperatura do ensaio em graus Kelvin (Θ);
D
0
– coeficiente de difusão do gás em condições normais de temperatura e
pressão (L
2
T
-1
).
A disponibilidade do gás no solo depende também da sua solubilidade descrita pela Lei
de Henry que relaciona a concentração de equilíbrio do líquido e do gás de forma
adimensional (H=C
l
/C
g
). Segundo RENAULT & STENGEL (1994), a difusão de um
43
gás é afetada pela partição do gás no líquido influenciando no coeficiente de difusão
efetivo, principalmente a elevado grau de saturação (AACHIB et al., 2004).
A constante de Henry é dada pela relação entre a máxima concentração de um gás na
água e do mesmo gás no ar (H=C
w
/C
a
). Por exemplo, a máxima concentração de
oxigênio na água (C
w
) é de 9,2 mg/L e no ar (C
a
) é de 276,7 mg/L a 20
0
C, o que faz com
que a constante de Henry para o oxigênio seja de aproximadamente 0,03. Ou seja, a
concentração de equilíbrio de oxigênio no ar é aproximadamente 30 vezes maior do que
na água.
c) retardamento ou geração
Vários tipos de reações podem afetar a concentração de uma substância durante o
transporte no solo, mas somente as reações de adsorção-dessorção (fenômenos de
sorção) e decaimento radioativo e biológico são freqüentemente modeladas. Reações de
dissolução, precipitação, redução-oxidação, bem como de complexação e partição de
íons não são normalmente modeladas.
O fluxo de gás no solo ou resíduo pode ser afetado pelo consumo ou pela produção de
gases por parte dos constituintes orgânicos ou inorgânicos do solo. O oxigênio, por
exemplo, pode ser retardado pelos minerais sulfetados, matéria orgânica, compostos
orgânicos, ou até mesmo por bactérias (MACKAY et al., 1998). O CO
2
pode ser
produzido pela respiração das plantas, e metano, por meio da decomposição de
substâncias orgânicas em meio anaeróbio.
Segundo CABRAL et al. (2000), em resíduos de papel e celulose o consumo de
oxigênio pela decomposição da matéria orgânica pode ser considerado uma reação de
primeira ordem (linear). O mesmo tipo de aproximação foi proposto por ELBERLING
et al. (1994) e NICHOLSON et al. (1989), entre outros, para a oxidação da pirita.
À equação de fluxo transiente podem ser acrescentadas as parcelas referentes a
sorção/dessorção e decaimento de primeira ordem, conforme apresentado na Equação
3.16.
(
)
C
n
t
S
x
C
D
t
C
sm
eq
λ
ρ
θ
±
∂
∂
±
∂
∂
=
∂
∂
2
2
(Eq. 3.16)
Onde: S
m
- é a parcela de massa adsorvida ou dessorvida (M);
λ- decaimento radiativo de primeira ordem (T
-1
);
ρ
s
– massa específica aparente seca (ML
-3
)
n – porosidade total (adimensional)
3.5. Atividade microbiológica no solo
O solo contém uma grande variedade de microrganismos, incluindo bactérias, fungos,
protozoários, algas e vírus. Apesar desta diversidade, os microrganismos cultiváveis
predominantes entre a microflora do solo são fungos e bactérias heterotróficas.
44
As atividades dos microorganismos no solo são: decomposição da matéria orgânica,
produção de húmus, ciclagem de nutrientes e energia, fixação de nutrientes e energia,
fixação de nitrogênio atmosférico, produção de compostos complexos que causam
agregação do solo, decomposição de xenobióticos e controle biológico de pragas e
doenças, entre outras (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
A densidade dos organismos varia em função de características edáficas e climáticas
específicas de cada ambiente. Os organismos edáficos apresentam alta diversidade
metabólica e fisiológica, o que os torna extremamente versáteis para ocupação dos
diversos ambientes. Segundo MOREIRA & SIQUEIRA (2002), dependendo da fonte de
energia utilizada, os organismos podem ser divididos em:
a) autotróficos e heterotróficos – organismos que assimilam carbono de fontes
inorgânicas ou orgânicas;
b) fototróficos e quimiotróficos – organismos que obtêm energia da luz solar ou da
oxidação de moléculas orgânicas ou inorgânicas;
c) litotróficos e organotróficos – organismos redutores de materiais inorgânicos e
orgânicos respectivamente;
d) fotoautotróficos, quimioautotróficos, fotoheterotróficos e quimioheterotróficos
são também encontrados.
A biota do solo inclui representantes de todos os grupos de microrganismos (bactérias,
fungos, leveduras, algas, etc.) e quase todos os filos animais. Uma das principais
limitações para avaliação da biodiversidade é a natureza complexa, heterogênea e
dinâmica do solo.
A flora microbiana presente numa amostra de solo particular depende de várias
características do solo (por exemplo, umidade, pH, temperatura, conteúdo de oxigênio,
quantidade de carbono, disponibilidade de nutrientes, porosidade e distribuição dos
poros), as quais podem variar ao longo do tempo.
a) Teor de umidade
Segundo MOREIRA & SIQUEIRA (2002) todos os microorganismos do solo
necessitam de água para a absorção de nutrientes e integridade da superfície celular e
mobilidade de alguns organismos unicelulares. Variações sazonais de temperatura e
umidade afetam as comunidades biológicas do solo e sua atividade. Geralmente sucções
em torno de 10 kPa são ótimas para a atividade microbiana. Abaixo deste potencial,
várias bactérias tornam-se inativas, mas as leveduras e os fungos continuam o
metabolismo. Em altos potenciais hídricos, as células podem mover-se e metabolizar na
solução do solo sem envolvimento dos colóides orgânicos e minerais. Já em baixos
potenciais, uma fina camada de água forma-se em torno dos colóides e células
proporcionando maior concentração de nutrientes. A água do solo afeta também a
aeração, a pressão osmótica e a natureza, quantidade e difusão de materiais dissolvidos.
Alguns fungos podem tolerar solos secos, mas não se desenvolvem em solos que
estiverem com elevado teor de umidade (CLARK, 1967). Já as bactérias tendem a ter
um comportamento oposto quando comparadas aos fungos, ou seja, desenvolvem-se
melhor em solos saturados. À medida que o teor de umidade do solo diminui, muitos
45
microorganismos formam esporos, quisto ou outras formas resistentes, à medida que
outros são mortos pela dessecação (JRB ASSOCIATES, INC, 1984).
b) pH
A maioria dos solos tem pH entre 4,0 e 8,5. Os horizontes superficiais do solo são
geralmente mais ácidos devido à lixiviação de bases e decomposição da serapilheira e
até pela fixação do nitrogênio. Já em regiões secas o pH é mais alcalino. A
disponibilidade de nutrientes minerais tais como Fe, Mn, Zn e Al, entre outros, é menor
em pH alcalino, mas atingem níveis tóxicos quando o pH for inferior a 5,0 (MOREIRA
& SIQUEIRA, 2002).
Alguns microorganismos têm uma maior tolerância a variações de pH ao passo que
outros suportam apenas pequenas variações. O pH considerado ótimo para uma rápida
decomposição da matéria orgânica está entre 6,5 a 8,5. As bactérias têm seu pH ótimo
próximo de 7 (sete). Se o pH é ácido, normalmente os microorganismos não conseguem
competir com os fungos pelos nutrientes disponíveis. Este pH pode influenciar na
solubilidade ou disponibilidade de macro (em especial fósforo) e micro-nutrientes, na
mobilidade de substâncias possivelmente tóxicas, e na reatividade de alguns íons (como
Fe e Ca) (PARR et al., 1983).
Fungos tendem a predominar em condições ácidas (pH menor que 5), ao passo que as
bactérias, por outro lado, tendem a ser predominantes em pH básico (6 e 8), mas
existem algumas exceções a esta regra.
A inibição do crescimento microbiano em valores de pH considerados desfavoráveis
resulta não só do efeito direto da elevada concentração de H
+
ou OH
-
, mas também da
influência indireta do pH na penetração nas células microbianas de compostos tóxicos
presentes no meio. Os metais têm a sua disponibilidade acentuada em pH elevados e
baixos. Os ligantes orgânicos são componentes da matéria orgânica cuja decomposição
libera para o meio metabólitos ácidos que provocam a diminuição do pH do solo. Esse
processo pode influenciar a mobilidade dos íons presentes na solução do solo e
consequentemente, afetar a atividade da microbiota (FIRME, 2005).
c) Temperatura
A temperatura do solo é um dos fatores mais importantes que regulam a atividade
microbiológica e a taxa de decomposição dos constituintes orgânicos presentes no solo
(BROCK et al. 1994).
Segundo MOREIRA & SIQUEIRA (2002), dependendo da faixa ótima de temperatura
para seu crescimento e atividade, os microrganismos podem ser divididos em: criófilos
(abaixo de 20
0
C), mesófilos (20 - 40
0
C) e termófilos (acima de 40
0
C) .
A temperatura não afeta somente as reações fisiológicas das células, mas também as
características físico-químicas do ambiente que, por sua vez, influenciam o ambiente
microbiano. Taxas de reação microbiana são maiores a temperaturas em torno de 28
0
C e
sofrem decréscimos acentuados em temperaturas menores do que 25 e maiores que 41
0
C
(MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
46
Geralmente, aumentando a temperatura, aumenta-se a taxa de decomposição dos
compostos orgânicos no solo. Normalmente a taxa de crescimento microbiológico tende
a dobrar para cada aumento de 10°C da temperatura (THIBAULT & ELLIOTT, 1979).
Temperaturas muito elevadas, entretanto, causam uma diminuição do crescimento e
metabolismo, chegando a ser letal em temperaturas acima de 41 - 42°C, quando é
iniciado o processo de quebra enzimática.
Normalmente uma diminuição na temperatura é associada a uma diminuição da taxa de
crescimento microbiológico. Baixas temperaturas normalmente não são letais para os
microorganismos, entretanto, ciclos de congelamento e descongelamento podem
provocar a letargia.
d) Conteúdo de Oxigênio
O tipo de organismo no solo depende da tolerância ao oxigênio. Microorganismos que
utilizam oxigênio são ditos aeróbios, outros que não utilizam o oxigênio e podem até
morrer em sua presença são ditos anaeróbios e outros são aeróbios facultativos, ou seja,
crescem na presença ou ausência de oxigênio (BROCK et al., 1994).
A biodecomposição de matéria orgânica em solos secos tende a ocorrer primeiramente
devido à ação dos fungos (GRAY, 1978; HARRIS, 1981).
Em relação à atmosfera, as concentrações de oxigênio e de gás carbônico no solo são,
respectivamente, menores que 5% e cerca de 10 vezes maiores em função da atividade
respiratória dos organismos e das raízes. Estima-se que os microrganismos produzam
aproximadamente 80% do CO
2
do solo (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
À medida que o solo torna-se saturado, a difusão de gases através dele é severamente
restringida. Em solos saturados o oxigênio pode ser consumido mais rápido do que é
possível repor, fazendo com que a condição de degradação torne-se anaeróbica. Isto
pode alterar drasticamente a composição da microflora presente no solo. Organismos
anaeróbios facultativos, que usam aceptores de elétrons alternativos (nitratos, etc.), e
organismos estritamente anaeróbios tornam-se as espécies dominantes. Ao passo que
muitas bactérias conseguem desenvolver-se sob condições anaeróbicas, a maioria dos
fungos não o faz (PARR et al., 1983). O metabolismo muda de oxidativo para
fermentativo e torna-se menos eficiente em termos de biossíntese (JRB ASSOCIATES,
INC., 1984).
Outros compostos, como os nitratos, o dióxido de carbono, sulfatos e ferro podem ser
utilizados em substituição ao oxigênio, no exercício da função de aceptor de elétrons.
e) Conteúdo de Carbono
Diversos tipos de substratos orgânicos estão presentes no solo. A matéria orgânica dos
solos pode variar de menos de 1 até 90% e é formada por resíduos de plantas, animais e
de microorganismos, produtos destes resíduos transformados pelos microrganismos de
forma abiótica.
O resto orgânico ao decompor-se forma o húmus, que libera cátions e ânions durante o
processo de mineralização (enriquecimento em carbono). O processo de decomposição
47
dos restos orgânicos é rápido em clima úmido e lento em clima seco, e ocorre de forma
semelhante ao intemperismo. Os processos de formação e transformação da matéria
orgânica estão relacionados ao ciclo do carbono.
O estágio mais avançado de transformação da matéria orgânica é o húmus formado pela
ação de microorganismos (estado coloidal, cor escura e alta estabilidade do solo).
A decomposição por microorganismos pode ser descrita pela Equação 3.17:
C
orgânico
+ O
2
CO
2
+ H
2
O + energia (Eq. 3.17)
O microorganismo retira o C para a energia da reação e o N para o metabolismo e
mineralização do NO
3
-
. Dessa forma, deve existir uma relação ideal para que ocorra a
degradação completa da matéria orgânica para húmus. A relação C/N gira em torno de
10/1 a 12/1 para o húmus e de 20/1 a 50/1 para resíduo de leguminosas e 500/1 a 1000/1
para madeiras. O tempo de transformação do resíduo é variável em função da
composição da matéria orgânica presente.
A matéria orgânica é a principal fonte de N, S e P do solo. Seu conteúdo no solo varia
muito, contudo, percentuais que norteiam a sua presença são de 1 a 10%. A elevada
superfície específica permite a fixação de Fe, Mn, Ca e Mg.
Em termos de grau de decomposição, a matéria orgânica total dos solos pode ser
dividida em dois grupos principais (YONG et al, 1992): a) Material não-decomposto
(fragmentos não decompostos e materiais em processo de decomposição), b) Produtos
da decomposição – substâncias húmicas (decorrentes da decomposição total dos restos
vegetais e animais; grupo formado principalmente por substâncias amorfas de coloração
escura e composição não-uniforme) e constituintes Não-Húmicos - (compostos que não
pertencem a classes identificáveis como os polisacarídeos, ligninas, polipeptídeos, ...)
A distribuição da matéria orgânica no solo é não uniforme e varia de acordo com a
geometria e propriedades físicas, químicas e biológicas. Nem toda substância orgânica é
passível de degradação dos microorganismos (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002). A
presença de matéria orgânica no solo pode ter muitos efeitos sobre as suas propriedades
físicas incluindo temperatura, capacidade de retenção de água e nutrientes, entre outros.
Os solos normalmente possuem matéria orgânica em diferentes etapas de
decomposição. A matéria orgânica é um resíduo orgânico amorfo, que quando em
proporções ideais pode trazer benefícios para as propriedades físicas e químicas do solo.
Solos húmicos possuem altas áreas de superfície de partícula, grande quantidade de
bases trocáveis e alta capacidade de troca catiônica. Este material orgânico pode
também conter nitrogênio, fósforo e zinco que podem melhorar a condição nutricional
do solo para os microorganismos (JRB ASSOCIATES, INC., 1984).
Por causa de sua alta superfície específica, propriedades de superfície e grupos
funcionais, solos húmicos podem funcionar como tampão e trocador de íons
(ALLRICHS, 1972).
48
f) disponibilidade de nutrientes
O carbono, o oxigênio, o hidrogênio e o nitrogênio são os constituintes principais das
moléculas orgânicas. Outros elementos como K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, Cu, Mo, Co, Na, Cr,
Ni Se, W, e V constituem moléculas e/ou são importantes nas diversas reações
metabólicas. No caso dos organismos do solo, são importantes ainda como fonte de
energia para os quimiolitotróficos e como doadores de elétrons para estes e para os
fotolitotróficos. A quantidade de nitrogênio no solo é significativa, porém, as formas
prontamente disponíveis para os microrganismos são raramente suficientes porque o
nitrogênio inorgânico é consumido pela maioria dos organismos, o orgânico, por alguns
e o gasoso, somente por poucos organismos (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
g) porosidade e distribuição dos poros
A fase sólida do solo é composta por partículas minerais variadas, raízes de plantas,
populações de organismos macro e microscópicos (metabolismo ativo ou dormente) e
matéria orgânica em vários estágios de decomposição. A área superficial dos
constituintes minerais e orgânicos do solo é extremamente importante porque é neste
local que ocorrem as interações de diversos tipos entre as superfícies bióticas e
abióticas. A porosidade é outro parâmetro importante relacionado não só ao conteúdo de
água, mas à disponibilidade de gás e espaços para o desenvolvimento dos macro e
microrganismos que possuem tamanhos variados.
Solos bem estruturados, com agregados estáveis e poros com tamanhos diversos, são
requeridos para uma boa atividade microbiana, retenção de água e penetração de raízes,
resultando em boa qualidade do solo. Os processos de agregação do solo dependem de
fatores abióticos e bióticos. Os organismos exercem uma ação física na adesão entre as
partículas atuando como ligantes físicos, produzindo agentes agregantes ou cimentantes,
como polissacarídeos de alta viscosidade e substâncias húmicas, que se acumulam como
resultado da ação dos organismos heterotróficos sobre a matéria húmica orgânica do
solo. Os fatores abióticos estão ligados à formação dos agregados, ao passo que os
bióticos associam-se à sua estabilização. Contudo, é difícil separar os processos.
A adição de material orgânico estéril em solo também estéril não exerce qualquer efeito
na agregação do solo, ficando evidente o papel da micobiota. Já quando se adiciona
glicose e polissacarídeos ao solo, a estabilidade dos agregados aumenta, mas o efeito é
de curta duração, ao passo que materiais vegetais são decompostos lentamente,
apresentando um efeito mais persistente.
A contribuição dos fatores abióticos na agregação do solo aumenta com a diminuição da
granulometria do solo, os bióticos diminuem. Diante disso, a contribuição dos
microorganismos nos solos argilosos é pequena. Todos os microorganismos contribuem
para a agregação do solo na seguinte ordem de importância: fungos > actinomicetos >
bactérias produtoras de polissacarídeos extracelulares > leveduras > maioria das
bactérias (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
As bactérias em diâmetro menor que 0,5 µm localizam-se nos pelets fecais, na matéria
orgânica, nos poros e no interior de agregados, e os fungos nos poros fora dos
agregados. A ocupação dos poros é função do seu tamanho e do conteúdo de água.
Poros com diâmetros de 2 a 6 µm são adequados para a entrada de bactérias, ao passo
que fungos necessitam de poros maiores.
49
Dos diversos métodos empregados para se avaliar o número de bactérias do solo, o mais
utilizado baseia-se na contagem de colônias em placas de Petri, no qual se verifica uma
significativa variação das condições utilizadas, basicamente o meio de cultura, a
diluição do inóculo, a temperatura e o tempo de incubação (VIEIRA & NAHAS, 2000).
50
4. METODOLOGIA DE ESTUDO DA ÁREA
4.1. Introdução
Este capítulo apresenta as características do local onde foram coletados os solos e
rejeitos. Mostra ainda a metodologia empregada na caracterização geotécnica, físico-
química, mineralógica e biológica dos solos e resíduos.
4.2. Características do local
A Unidade Mineira II – Verdinho, da Carbonífera Criciúma S.A., é uma das principais
unidades em operação na Bacia Sul Catarinense. No momento da abertura da mina
determinou-se uma vida útil estimada de 10 a 15 anos para uma produção média de
1.200.000 t/ano de carvão bruto (ROM). Nesta unidade existem operações de lavra
subterrânea (camada Barro Branco pelo método de câmaras e pilares) e de
beneficiamento. Está localizada no município de Forquilinha, com coordenadas
geográficas 28
0
47’ 47” S e 49
0
25’ 52” W, e vem desenvolvendo a exploração desde
1982.
A unidade Mineira Verdinho ocupa uma área superficial equivalente a 150 ha e está
inserida em uma região eminente agrícola de relevo plano (relevo suave), associada às
planícies aluviais, drenada a oeste pelo rio Mãe Luzia e a leste pelo rio Sangão, próximo
ao exutório da Bacia Hidrográfica do Araranguá. Estas drenagens eventualmente
extravasam, espraiando-se pelas planícies de inundação, ou então são responsáveis pelo
aumento do volume de água no circuito do beneficiamento, principalmente nos meses
de verão.
O clima na região é mesotérmico do tipo temperado, caracterizado pela ação de massas
de ar intertropicais quentes e massas polares frias, sendo as últimas responsáveis pelo
caráter mesotérmico. As oscilações de frente polares que atingem o território
catarinense durante todo o ano imprimem sobre o seu clima dois aspectos
característicos: a instabilidade do tempo e a elevada pluviosidade durante o ano.
Segundo a Estação Experimental de Urussanga (EPAGRI), o índice pluviométrico anual
médio é de 1479,9 mm/ano, onde as maiores médias mensais ocorrem de setembro a
março e as menores, de abril a agosto. As temperaturas mais elevadas são registradas
nos meses de janeiro e fevereiro, em torno de 23,5
0
C, e a mais baixa no mês de julho,
14
0
C. Os meses de temperatura mais elevada ocorrem de dezembro a fevereiro e os
mais frios, de junho a agosto. A temperatura média anual é de 19
0
C e a diferença entre
a temperatura do verão e do inverno está em torno de 10
0
C. A evapotranspiração
potencial apresenta maiores valores nos meses de outubro a março e os valores mais
baixos de abril a setembro. Os valores de precipitação são maiores do que de
51
evapotranspiração, ocorrendo então um excedente hídrico de 670 mm/ano que
corresponde a aproximadamente 6.700.000 litros por hectare/ano.
A lavra da camada de carvão ocorre, estratigraficamente, sob a cobertura sedimentar
recente, constituída por um solo argiloso impermeável (3 a 5 m), que constitui os
cambissolos. Estes solos impermeáveis recobrem o leque aluvial formado por seixos e
cascalhos (15 a 25 m) depositados em discordância erosiva, estratigráfica e litológica
sobre seqüência sedimentar da Bacia do Paraná. Esta seqüência apresenta estratos
compostos por siltitos, folhelhos associados às Formações Irati e Palermo de caráter
impermeável, aos quais se sobrepõem aos arenitos e siltitos arenosos intercalados com
camadas de carvão da formação Rio Bonito, formando pacotes tabulares de grande
extensão lateral posicionados entre 100 e 250 m de profundidade.
O processo de beneficiamento do ROM extraído da camada Barro Branco é feito na
Unidade Mineira II (UM II) a partir de sistema integrado com classificação
granulométrica, britagem e concentração (depuração e/ou enriquecimento) com jig,
espirais, hidrocilones e flotação. A Tabela 4.1 descreve um resumo da produção da
usina de beneficiamento da empresa para o mês de junho de 2003.
Tabela 4.1 - Resumo da produção da usina de beneficiamento da Unidade Mineira Verdinho II
(CARBONÍFERA CRICIÚMA S.A., informação pessoal, junho de 2003).
UM
II
ROM (t/mês) 140.000
Rejeito (t/mês) 85.400
Recuperação (%) 39,00
Teores de cinza (%) 58,05
Enxofre Total (%) 3,22
Produto Peso (%)
Carvão energético graúdo + finos 39,00
Rejeitos graúdos 50,00
Rejeitos finos 11,00
Os rejeitos sólidos são dispostos na área da UM II, em local de relevo suave e de baixa
declividade, considerando os limites do empreendimento e as drenagens mais próximas.
Estes depósitos guardam uma distância mínima de 230 m do Rio Mãe Luzia e 326 m do
rio Sangão.
Devido à existência de solos argilosos de espessura variável (3 a 5 m), procede-se a
remoção prévia de 1,5 a 2 m da argila para cobrir os taludes e os depósitos de rejeitos
(Módulo A – fração fina e Módulo B – fração grossa). Desta forma, procede-se um
confinamento dos materiais piritosos (Jazida Empresa). Trabalhos de revegetação e
controle da drenagem também são feitos para redução dos processos erosivos, com o
uso de solo turfoso e gramíneas. No entanto, nenhum estudo específico foi realizado
anteriormente pela empresa para avaliar o funcionamento da cobertura utilizada. O que
se sabe é que a empresa dispõe de pouco material referente à Jazida Empresa e tem
utilizado solos da Jazida Picollo para suprir as suas necessidades. Na Figura 4.1
observa-se uma vista aérea da empresa.
52
Figura 4.1 – Vista aérea da Carbonífera Criciúma S.A. com seus depósitos de rejeitos, lagoas
de decantação e usina de beneficiamento (CARBONÍFERA CRICIÚMA S.A., 2003)
.
Do jigue saem R1 (rejeito piritoso), R2 (rejeito misto com pouco carvão) e R3 (rejeito
misto com mais carvão). Do lavador saem o rejeito fino peneirado (RFP), rejeito
passante fino (RPF) e o rejeito fino decantado (RFD). O rejeito fino decantado (RFD) e
o rejeito passante fino (RPF) são depositados nas bacias de decantação. O R1 e o R2 são
imediatamente encaminhados ao depósito de rejeitos, já o RFD e RPF são
encaminhados ao depósito de rejeitos quando a bacia de decantação é esvaziada.
Estes rejeitos então misturados são dispostos com elevado teor de umidade no depósito
de rejeitos de forma aleatória. Por cima destes, é colocado o rejeito fino peneirado
(RFP). O R3 é depositado em um lugar a parte do depósito de rejeitos para posterior
rebeneficiamento devido ao elevado teor de carvão nele contido.
Um exemplo da produção de rejeitos encontra-se listado na Tabela 4.2 (informação
pessoal). A Tabela 4.3 (informação pessoal) contém o percentual de resíduos no
depósito de rejeito considerando a produção de junho de 2003 que pouco se alterou nos
últimos anos (informação pessoal).
Tabela 4.2 – Produção de rejeitos no mês de junho de 2003 (CARBONÍFERA CRICIÚMA
S.A., informação pessoal, junho de 2003).
Percentagem (%)
Nome
Descrição Toneladas (t)
Produção
Depósito
R1 Rejeito piritoso 25.675 24,7 25,5*
R2 Rejeito misto com pouco carvão 20.738 20,0 20,6*
R3 Rejeito misto com mais carvão 2.963 2,7 -
RFD Rejeito fino decantado 48.264 (alta umidade)
46,7 47,8*
RPF Rejeito passante fino 4.500 (alta umidade) 4,3 4,5*
RFP Rejeito fino peneirado 1.633 1,6 1,6*
* recalculando o percentual dos diversos resíduos no depósito de rejeitos (sem R3) considerando o
material úmido
Lagoas
de decantação
Depósito de
rejeitos
Usina de
Beneficiamento
Antigo
Depósito
53
Tabela 4.3 – Cálculo do percentual de resíduo seco na produção e no depósito de rejeito
(CARBONÍFERA CRICIÚMA S.A., informação pessoal, junho de 2003).
Percentagem (%)
Nome
Descrição
Produção Depósito
R1 Rejeito piritoso 33,1 34,4
R2 Rejeito misto com pouco carvão 26,8 27,9
R3 Rejeito misto com mais carvão 3,8 -
RFD Rejeito fino decantado 31,2 32,4
RPF Rejeito passante fino 2,9 3,1
RFP Rejeito fino peneirado 2,1 2,2
* recalculando o percentual dos diversos resíduos no depósito de rejeitos (sem R3) considerando o
material úmido
É apresentado na Figura 4.2 o roteiro de ensaios definidos para os materiais amostrados
de acordo com o possível uso que são: em sistema de cobertura seca para prevenção de
drenagem ácida, potencial de contaminação e neutralização.
Figura 4.2
-
Ensaios realizados com os materiais amostrados.
4.3. Coleta dos materiais e ensaios de campo
A campanha de ensaios de campo foi realizada para cumprir três objetivos principais:
a)
conhecer as características de compacidade e infiltração da pilha de resíduo e
materiais com potencial uso em sistema de cobertura;
b)
coletar amostra de solo, para ensaios de laboratório, do material que poderá ser
utilizado como cobertura (Jazida Empresa, Jazida Picollo e Turfa), bem como ter
o conhecimento de algumas características destes materiais sob condições de
campo;
Caracterização
Geotécnica e hidráulica
Química e
físico-Química
Mineralógica
SOLO/
TURFA/
AREIA
REJEITO
/ESTÉRIL
USO EM
COBERTURA
Ensaios especiais
Capacidade tampão
Balanço ácido base
Idem solos
CINZA
POTENCIAL DE
CONTAMINAÇÃO
USO EM
COBERTURA
Idem solos
POTENCIAL DE
NEUTRALIZAÇÃO
POTENCIAL DE
NEUTRALIZAÇÃO
Ensaios especiais
Capacidade tampão
Balanço ácido base
POTENCIAL DE
CONTAMINAÇÃO
USO EM
COBERTURA
Idem solos
Idem rejeitos
Simulação
Simulação
Simulação
54
c)
coletar amostra de rejeitos, para ensaios de laboratório, do material que compõe
o depósito de rejeitos, bem como ter o conhecimento de algumas características
de campo.
A campanha de campo contemplou:
•
coleta de amostra deformada em poços e cavas de solo da Jazida Empresa, na
Jazida Picollo, no depósito de Turfa, no depósito de rejeitos e antiga cobertura
para ensaios de laboratório;
•
coleta de amostra deformada composta e deformada do Rejeito Grosso;
•
ensaios de peso especifico in situ e infiltração no depósito de resíduo, cobertura
existente e antigo depósito.
A coleta de material ocorreu no período de 25 a 28 de agosto de 2003 e foram extraídos
os seguintes materiais:
a)
Areia (A);
b)
Solo Jazida Empresa (JE);
c)
Solo Jazida Picollo (JP);
d)
Solo Antigo Depósito (AD);
e)
Turfa (T);
f)
Rejeito do depósito de rejeito (RG);
g)
Rejeito Fino Peneirado (RFP);
h)
Rejeito Fino Decantado (RFD);
Além dos materiais coletados na data acima citada, foram enviados pela Usina
Termelétrica de Tubarão cinza de fundo ou Cinza Grossa (CG) e cinza volante ou Cinza
Fina (CF) para serem ensaiadas quanto às suas características químicas e físicas como
provável componente de sistema de cobertura.
A Tabela 4.4 descreve um resumo do tipo e quantidade de amostra coletada após
secagem e o ANEXO II apresenta resumo da caderneta de campo com as coordenadas
de cada amostra coletada. No ANEXO III podem ser observados os locais das coletas
das amostras e da realização dos ensaios de campo.
Uma descrição da coleta de amostra e dos ensaios de campo é apresentada no item 4.4 a
seguir.
Tabela 4.4 - Resumo das amostras coletadas, peso de amostra seca, origem e instituição que
executou a coleta.
Amostras de Solo Peso seco
amostras
Origem Instituição que executou a
coleta
JE 56 kg Forquilinha – SC CETEM
JP 84 kg Forquilinha – SC CETEM
AD 3 kg Forquilinha – SC CETEM
Turfa 31 kg Forquilinha – SC CETEM
Solo
A 12 kg Forquilinha – SC Carb. Criciúma S.A
RG 827 kg Forquilinha – SC CETEM
RFP 48 kg Forquilinha – SC Carb. Criciúma S.A.
RFD 35 kg Forquilinha – SC Carb. Criciúma S.A.
CG 8 kg Tubarão – SC Usina Termelétrica de Tubarão
Rejeito
CF 8 kg Tubarão - SC Usina Termelétrica de Tubarão
55
4.4. Coleta das amostras e determinação da umidade
Todas as amostras coletadas foram identificadas (local, tipo e número da amostra) e
acondicionadas em sacos plásticos hermeticamente fechados. As amostras coletadas
tiveram seu teor de umidade in situ determinado por gravimetria segundo a norma
ABNT NBR 6457/86.
A coleta dos solos foi realizada após a limpeza superficial do terreno com auxílio de
enxada, enxadão, pá e picareta. Foram coletadas amostras deformadas em diversos
pontos do depósito para compor amostra simples de aproximadamente 80 kg de peso
úmido. Sendo o material acondicionado em sacos plásticos.
A coleta da amostra deformada
1
da Jazida Empresa e da turfa foi realizada no depósito
deste material dentro da área da empresa. No que se refere à amostra Jazida Picollo, a
coleta foi realizada na área de empréstimo (ANEXO III – Carta temática com a
localização das coletas). A amostra antigo depósito foi coletada em uma cobertura em
um depósito de rejeito desativado.
Nas Figuras 4.3, 4.4 e 4.5 observa-se a fotografia dos locais onde foram coletadas as
amostras de solo e turfa.
Figura 4.3 – Local da coleta da amostra – Jazida Empresa.
1
Extraída por raspagem ou escavação, implicando na destruição da estrutura e na alteração das condições
de compacidade ou consistência naturais (NBR 9604/86)
56
Figura 4.4 – Local da coleta da amostra – Turfa.
Figura 4.5 – Local da coleta da amostra - Jazida Picollo.
A coleta do Rejeito Grosso foi realizada após a limpeza superficial do terreno em área
delimitada por um quadrado feito om auxílio de enxada, enxadão, pá e picareta. Foram
coletadas 29 amostras simples de aproximadamente 60 kg no depósito de rejeito. Para
esta ação, foi realizada uma cava de 0,50 x 0,50 m com profundidade máxima de 30 cm,
sendo acondicionado o material em sacos plásticos. Estas amostras foram misturadas e
secas ao ar para compor uma amostra composta representativa do depósito de rejeitos.
Os demais materiais estudados (Rejeito Fino Decantado, Rejeito Fino Peneirado, Areia,
Cinza Fina e Cinza Grossa) foram coletados pela Carbonífera Criciúma S.A. e Usina
Termelétrica de Tubarão.
57
4.4.1
. Ensaio de massa específica de campo
A massa específica aparente de campo fornece informação sobre o grau de compactação
do material. Devido à diferença significativa entre os solos e o Rejeito Grosso optou-se
pelos seguintes métodos para a execução dos ensaios:
a)
determinação da massa específica aparente in situ, com emprego de frasco de
areia para os solos;
b)
determinação da massa específica aparente in situ com o emprego de cava e
água para o resíduo grosso.
a) Solo
O ensaio utilizando o frasco de areia consiste em confeccionar uma cavidade cilíndrica
no terreno com uma profundidade de cerca de 15 cm e diâmetro de 11,6 cm, recolher
todo o material extraído da cavidade e determinar o peso e teor de umidade do material.
Montar o conjunto com areia (1,2 a 0,59 mm) acrescido do funil e determinar sua
massa; posicionar o frasco sobre a cavidade confeccionada e abrir o registro do frasco,
deixando a areia escoar até cessar o seu movimento. Quando o movimento da areia
cessar, fechar registro, retirar o conjunto e determinar o peso do frasco com a areia
restante. A massa específica aparente seca é obtida por intermédio de formulação
matemática, que leva em consideração a massa específica aparente da areia utilizada no
ensaio, a massa de solo retirada da cava e a massa de areia que preencheu a cavidade do
terreno (ABNT NBR 7185/86).
A Figura 4.6 apresenta uma seqüência de fotos mostrando a realização do ensaio de
frasco de areia na empresa.
Figura 4.6 – Seqüência de fotos mostrando os detalhes da execução dos ensaios para
determinação massa específica in situ dos resíduos.
O ensaio de massa específica in situ (frasco de areia) foi realizado nas coberturas já
existentes nos seguintes materiais: Jazida Empresa, Jazida Picollo e Antigo Depósito.
Este ensaio não foi feito na turfa porque a espessura desta camada não excedia 5,0
centímetros de altura nas coberturas da empresa, o que inviabilizou o ensaio.
58
Além dos ensaios com o frasco de areia, foram cravados anéis de 5,0 centímetros de
diâmetro e 2,5 centímetros de altura para determinação da massa específica in situ, dos
materiais citados anteriormente acrescidos da Turfa.
b) Resíduo grosso
O ensaio para a determinação da massa específica dos resíduos consiste na abertura
manual de uma cava com larguras entre 0,60 e 1,0 m e comprimentos entre 1,00 e 1,20
m, sendo a altura igual à menor dimensão (largura ou comprimento).
A escavação é iniciada com a delimitação em superfície da área com a dimensão da
cava a ser aberta. Com o auxílio de pás e enxadas, a cava é aprofundada até a
profundidade definida para o ensaio (0,6 a 1,0 m). Para evitar a presença de reentrâncias
nas paredes laterais das cavas, as faces da cava são niveladas com auxílio de espátulas.
O material escavado é pesado, seguido do revestimento da cava com manta plástica
impermeável e flexível. O ensaio prossegue com o preenchimento da cava com água e
conseqüente determinação do seu volume, através da utilização de reservatório
graduado.
Por fim, o volume de preenchimento é esgotado e recompõe-se a cava manualmente
com o resíduo escavado. Do material escavado são separadas, no mínimo, 3 (três)
amostras para determinação, no laboratório, do teor de umidade do resíduo.
A Figura 4.7 descreve a seqüência de execução do ensaio da massa específica in situ do
material (MARQUES, 2001) e a Figura 4.8 ilustra alguns dos procedimentos descritos,
conforme executados no campo.
Figura 4.7– Seqüência de execução do ensaio para determinação da massa específica do resíduo
in situ (MARQUES, 2001).
59
Figura 4.8 – Detalhes da execução dos ensaios para determinação da massa específica do
resíduo in situ.
Para cada cava são realizadas pelo menos duas determinações de seu volume com água,
ou seja, após o ensaio completo a cava é totalmente esgotada, iniciado um novo
preenchimento com água. Foram feitos dois ensaios de massa específica no depósito de
rejeitos (Rejeito Grosso).
A cava após a escavação mostra-se muitas vezes irregular, o que dificulta a
determinação do volume com base no volume de preenchimento da mesma com água, e
esta técnica deve ser complementada pelo cálculo de um volume adicional se levar em
conta as diferentes profundidades (alturas) observadas em pontos distintos da cava. De
posse das alturas, larguras e comprimentos medidos é calculado também o volume.
4.4.2.
Ensaio de infiltração
O estudo da infiltração vertical é classicamente feito inundando a superfície do solo
com uma lâmina de água e mantendo-se esta lâmina por adição contínua de água. A
altura da lâmina confere à água um potencial ligeiramente positivo, mas que na prática é
considerado nulo (REICHARDT, 1987).
A seguir são apresentadas algumas grandezas características do ensaio de infiltração.
a)
Velocidade de infiltração - entende-se por medida da infiltração a medida da
velocidade com a qual a água penetra no solo. Ela é denominada velocidade de
infiltração v. Ou seja, v = k i (Darcy) que pode ser também escrita da seguinte
forma v
i
= K (θ
w
)grad ψ. Depois de certo tempo de infiltração, uma camada
profunda de solo encontra-se saturada e a umidade θ
w
passa a ser θ
s
(saturação),
o valor K (θ
w
) para θ
s
é igual à condutividade hidráulica saturada
(permeabilidade saturada). Se o perfil encontra-se saturado, o potencial total (ψ)
resume-se no gravitacional (ψ
g
), fazendo com que o gradiente seja igual a 1
(REICHARDT, 1987);
b)
Capacidade de Infiltração - é a taxa máxima que um solo é capaz de absorver
água, sob uma dada condição, geralmente expressa em mm/h. A intensidade da
60
chuva (i) afeta a quantidade de água que se infiltra no solo e a que escoa
superficialmente. Por exemplo, se a intensidade da chuva for maior do que a
capacidade de infiltração o excedente escoa por runoff (REICHARDT, 1987).
Nos ensaios de infiltração no campo, ou protege-se uma área de 9 a 100 m
2
por meio de
dique (Figura 4.9a) ou usam-se dois cilindros concêntricos (Figura 4.9b), que são
cravados no solo e cheios de água para proceder à inundação.
5 m
ÁREA INUNDADA 25 m
²
5 m
ADIÇÃO
DE ÁGUA
LÂMINA
DE ÁGUA
DIQUE
S O L O
ADIÇÃO
DE ÁGUA
LÂMINA
DE ÁGUA
15 cm
15 cm
15 cm
15 cm
S O L O
30 cm
6
0
c
m
a) ÁREA INUNDADA b) INFILTRÔMETRO DE ANEL
Figura 4.9 – Duas formas de se medir a infiltração vertical no solo, a) área inundada e b) anéis
duplo (REICHARDT, 1987).
No caso dos solos e resíduos finos, foi escolhida a determinação da infiltração por meio
dos anéis duplos, também conhecido como infiltrômetro de anel conforme apresentado
na Figura 4.10. No local determinado foi cravado no solo aproximadamente 5 cm do
anel menor (diâmetro 20 cm e altura 15 cm) por meio de percussão e colocado o anel
maior (diâmetro 40 cm e altura 10 cm) circunscrevendo o primeiro, também introduzido
por percussão. Um saco plástico foi colocado no interior do anel menor para o início do
ensaio e adicionada água até um nível de 7,5 – 10,0 cm acima do solo, sendo colocado
um nível de 3 - 5 cm no anel maior. Com auxílio de uma régua foi medido o nível no
início do ensaio, retirado o plástico e feitas leituras após 5, 10, 20, 40, 60 minutos e
depois em intervalos de 30 minutos, até quando velocidade de infiltração se mantivesse
constante ou próxima durante três leituras seguidas. Foi feito o reabastecimento dos
anéis, evitando que a lâmina de água ficasse inferior a 3 cm (MMA, 2003). Na Figura
4.10 observa-se algumas das etapas do ensaio de infiltração realizada com os solos e o
resíduo fino peneirado.
61
Figura 4.10 – Ensaio de Infiltração realizado nas coberturas existentes e no resíduo fino
peneirado.
Para o ensaio no depósito de rejeitos, foi escavado um poço (1 m x 1m) até o horizonte
do material a ser ensaiado. A escavação foi nivelada e protegida, na área da cava. Forra-
se a lateral da cava com lona plástica (Figura 4.11a), coloca-se uma segunda lona
plástica no interior do poço e adiciona-se água até um nível de aproximadamente 10 cm
(Figura 4.11b). Anota-se a hora e retira-se a segunda lona plástica do fundo (Figura
3.11c), e inicia-se a alimentação do sistema. As leituras são feitas em intervalos de 5
minutos até que a velocidade de infiltração mantenha-se constante (Figura 4.13) ou
próxima durante três leituras seguidas.
Figura 4.11 - Desenho esquemático do ensaio de infiltração no resíduo grosso utilizando poço
com as laterais isoladas.
No caso dos rejeitos grossos o ensaio foi realizado na cava feita para a determinação da
densidade in situ. Terminado o ensaio de densidade, o saco plástico que revestia o fundo
foi retirado, e com auxílio de uma régua foi medido o nível de água no início do ensaio,
sendo feitas leituras, até que a velocidade de infiltração se mantivesse constante ou
v
i
= Q/A
s
Q – vazão de alimentação (m
3
/h)
v
i
- velocidade de infiltração (m/h)
A
s
– área da seção do anel (m
2
)
K = (QZ)/Ah
Z – profundidade do solo testado
(m)
h - altura da lâmina de água
incluindo a camada de solo (m)
Adição de água
(C)
Topo impermeável ou
Lençol freático
H
Z
(A)
(B)
água
Lona plástica 1
Lona plástica 2
Lona plástica 1
Lona plástica 1
62
próxima durante três leituras seguidas. Quando necessário, foi feito o reabastecimento
da cava, evitando-se que a lâmina de água não ficasse inferior a 3 cm.
A Figura 4.12 mostra uma fotografia de um dos ensaios de infiltração realizado no
Rejeito Grosso. Para este ensaio foi utilizada uma caixa de água de 1000 litros e um
caminhão pipa. A vazão do caminhão pipa era de 3,5 cm
3
/s, e na primeira cava a vazão
após 20 minutos de infiltração ficou igual à vazão do pipa.
Este ensaio permite determinar a velocidade de infiltração, mas não permite determinar
o coeficiente de permeabilidade devido à dificuldade de estabelecer o gradiente
hidráulico. O cálculo somente é possível se existir o conhecimento prévio da
profundidade do nível de água ou de uma camada impermeável, o que não foi possível.
Figura 4.12 - Ensaio de Infiltração realizado no Rejeito Grosso no depósito de rejeito.
A curva de infiltração fornece informações sobre a capacidade do solo em absorver
água. A Figura 4.13 apresenta curvas de infiltração para dois solos. É possível observar
que depois de certo tempo, diferente para cada tipo de solo, a velocidade de infiltração
estabiliza-se, assumindo um valor constante.
Figura 4.13 – Infiltração em função do tempo (REICHARDT, 1987).
Tempo
v
i
Arenoso
Argiloso
63
Como citado anteriormente, a velocidade de infiltração pode ser relacionada com a
velocidade de Darcy, ou seja, v = k i, podendo ser reescrita da seguinte forma: v
i
= K
(θ
w
)grad ψ, onde v
i
é a velocidade de infiltração.
Algumas considerações sobre o ensaio que devem ser observadas antes e durante a sua
execução (MMA, 2003):
•
indicado para materiais acima do nível da água;
•
a amostra testada é volumosa e o procedimento de ensaio visa evitar alterar as
condições naturais do solo de forma a obter resultados coerentes e seguros;
•
é um teste útil para a obtenção da condutividade hidráulica vertical;
•
não existe uma padronização quanto ao diâmetro dos anéis e a profundidade de
cravação dos anéis, mas destaca-se que quanto maior o diâmetro do anel interno
e maior a profundidade de cravação, maior será a massa de solo ensaiada;
•
cavas podem ser utilizadas para ensaiar maior volume de material;
•
o intervalo de leitura pode variar de acordo com a velocidade de infiltração;
•
sempre que possível, realizar de 2 a 3 ensaios em uma mesma área. Os
resultados não devem diferir em mais do que 30 %;
•
o tempo de ensaio dependerá, além das características do solo, da profundidade
de cravação, e torna-se um ensaio demorado quando feito em material de baixa
permeabilidade, podendo levar até dois dias para que seja obtido valor confiável;
•
o solo situado imediatamente abaixo da camada a ser testada deve possuir
condutividade hidráulica igual ou superior à condutividade hidráulica do solo
que está sendo testado;
•
quando as camadas inferiores àquela testada vão tornando-se progressivamente
mais compactadas um fluxo constante não é alcançado, ocorrendo dessa forma
uma diminuição da condutividade hidráulica à medida que o teste vai
prosseguindo;
•
durante o ensaio não se consegue a saturação total, e sim uma saturação de
campo (correspondente à capacidade de campo) porque não se consegue
expulsar o ar dos vazios. Isso não é uma desvantagem, porque na prática a
saturação total é difícil de ser atingida sob condições de campo, logo a
condutividade hidráulica obtida será a condutividade hidráulica de campo.
4.5. Resumo dos ensaios realizados
Os ensaios de laboratório listados a seguir foram realizados com o objetivo de
caracterizar geotécnica, físico-química e mineralogicamente os diferentes materiais que
podem compor o sistema de cobertura e que compõem o depósito de rejeito da
Carbonífera Criciúma S.A.
A Tabela 4.5 descreve um resumo dos métodos empregados na realização dos ensaios.
As Tabelas 4.6 e 4.7 apresentam respectivamente um resumo dos ensaios realizados e o
local de realização.
Os ensaios de caracterização geotécnica foram realizados procurando-se caracterizar o
comportamento físico dos diferentes materiais. Estes ensaios foram realizados no
Laboratório de Geotecnia da COPPE-UFRJ e da EMBRAPA/CNPS.
64
Tabela 4.5 – Resumo dos ensaios, método, quantidade de amostra e pré tratamento das
amostras.
ENSAIOS MÉTODO QTDE.
AMOSTRA
PRÉ-TRATAMENTO
Preparação da amostra ABNT
NBR 6457
Quantidade
coletada
Definida de acordo com o material
Teor de umidade inicial ABNT
NBR 6457
100 g Natural
Densidade real dos grãos DNER
ME 093
300 g Amostra representativa passada na 10 #
Granulometria ABNT
NBR 7181
1,5 kg Amostra representativa da porção preparada,
por exemplo, solo, seca ao ar,
homogeneizada e quarteada
Limites de Atterberg ABNT
NBR 6459
NBR 7180
500g Amostra representativa passada na 40 #
Compactação ABNT
NBR 6457
30 kg Amostra representativa passada na 10 #
Permeabilidade Saturada ABNT
NBR 13292
NBR 13293
10 kg Amostra representativa passada na 10 #
Curva de Retenção Extrator de
Richard -
EMBRAPA
Papel filtro
400 g Amostra representativa passada na 10 # e
compactada e anéis coletados no campo
Geotécnicos e Hidráulico
Adensamento ABNT
NBR12007
500g Amostra representativa passada na 10 # e
compactada estaticamente
pH e Condutividade
Elétrica (CE)
EMBRAPA 80g Amostra representativa passada na 10 #
C, N, H e Teor de
Matéria Orgânica (TMO)
EMBRAPA 20 g Amostra representativa moída passando na
100 #
Capacidade de troca
catiônica (CTC) e ataque
sulfúrico
EMBRAPA 100 g Amostra representativa passada na 10 #
Sulfato Gravimetria 200 g Amostra representativa moída passada na
300 #
Enxofre LECO 50 g Amostra representativa moída passada na
150 #
Fluorescência de Raios –
X
Rejeitos e
Cinza
10g Amostra representativa moída passada na
300 #
Metais Flurescencia
raios-X
150 g Amostra representativa moída passando na
300 #
Ensaio de Lixiviação ABNT
NBR 10005
200 g Amostra total passante # 9
Físico-químicos e Químico
Ensaio de Solubilização ABNT
NBR 10006
200 g Amostra total passante # 9
Capacidade tampão Yong et al. 300 g Amostra representativa passada na 10 #
Espec
iais
Balanço ácido-base Sobek et al. 100 g Amostra representativa moída passada na
100 #
Difração de Raios-X Fração silte e
argila
10 g Amostra representativa separada
granulometricamente as frações. Escolha da
fração para a análise e cominuição
Difração de Raios-X Fração total do
rejeito e cinza
10 g Amostra representativa moída passada na
150 #
Mineralógico
MEV Cinza e
amostra
compactada
Cubo 1cm de
aresta e pó
Amostra compactada, moldada e seca em
estufa a peso constante no caso dos solos.
Cinza seca em estufa.
Preparação da amostra
Moreira &
Siqueira
500 g Amostra natural armazenada em freezer
Unidades Formadoras
de Colônias
Moreira &
Siqueira
50 g Amostra natural e amostra seca ao ar com
água adicionada
Microbiológico
Esterilização Allef &
Nannipieri
500 g Amostra natural armazenada no freezer e
amostra seca ao ar com água adicionada
65
Tabela 4.6 – Ensaios realizados com o material coletado.
Amostra - Solos Amostras – Resíduo
AD JE JP T A RFP RFD RG CF CG
ENSAIOS GEOTÉCNICOS
Preparação da amostra
Umidade
Densidade real dos grãos
Granulometria
Limites de Atterberg
Compactação
Permeabilidade Saturada
Índice de vazios
Curva de Retenção - Campo
Curva de Retenção - Laboratório
Adensamento
ENSAIOS FÍSICO-QUÍMICOS
pH e CE
C, N, H e TMO
CTC e ataque sulfúrico
Enxofre (S
total
, S
orgânico
, S
pirítico
, S
sulfático
)
Fluorescência de Raios-X
Ensaio de Solubilização
Ensaio de Lixiviação
ENSAIOS ESPECIAIS
Capacidade tampão
Balanço ácido-base
ENSAIOS MINERALÓGICOS
Difração de Raios-X
MEV
ENSAIOS MICROBIOLÓGICOS
Preparação da amostra
Unidades Formadoras de Colônias
Esterilização
OBS.: Ensaios realizados nesta tese Ensaios realizados UBALDO (2005)
66
Tabela 4.7 – Locais de realização dos ensaios.
Amostra - Solos Amostras - Resíduo
AD JE JP T A RFP RFD RG CF CG
ENSAIOS GEOTÉCNICOS
Preparação da amostra
Umidade
Densidade real dos grãos
Granulometria
Limites de Atterberg
Compactação
Permeabilidade Saturada
Índice de vazios
Curva de Retenção- Campo
Curva de Retenção- Laboratório
Adensamento
ENSAIOS FÍSICO-QUÍMICOS
pH e CE
C, N, H e TMO
CTC e ataque sulfúrico
Enxofre (S
total
, S
orgânico
, S
pirítico
, S
sulfático
)
Fluorescência de Raios- X
Ensaio de Lixiviação
Ensaio de Solubilização
ENSAIOS ESPECIAIS
Capacidade tampão
Balanço ácido-base
ENSAIOS MINERALÓGICOS
Difração de Raios-X
MEV
ENSAIOS MICROBIOLÓGICOS
Preparação da amostra
Unidades Formadoras de Colônias
Esterilização
OBS.: - Ensaios realizados COPPE - Ensaios realizados na EMBRAPA/CNPS - Ensaios realizados CETEM
67
4.6. Ensaios geotécnicos
Os ensaios geotécnicos empregados e suas metodologias são apresentados nos itens a
seguir:
a) Preparação da amostra
Foram coletados solos e rejeitos na região de interesse, e junto com estas amostras foi
ensaiada amostra de cinza da Usina Termelétrica Jorge Lacerda. Assim sendo, a amostra
de cinza não possui descrição de coleta, bem como a areia e rejeitos (RFP e RFD)
coletados e enviados pela Carbonífera Criciúma S.A. As amostras (solos, rejeitos e
cinza) chegaram ao laboratório no dia 15/11/2003. Cada material teve preparação
distinta em função de suas características de umidade e granulometria, e finalidade de
ensaio posterior.
♦
Solos
As amostras de solo (JE, JP e T) e a areia foram espalhadas sob lona plástica e expostas
ao ar, quando secas, sofreram o seguinte procedimento apresentado no Figura 4.14.
Amostra de solo
Tirados fragmentos de rochas e galhos
Reservado para
peneiramento grosso
Torrões
Mandíbula
Torrões
Tirados fragmentos de rochas e galhos
Reservado para
peneiramento grosso
Homogeneizado
Quarteado em
uma pilha
Guardado em sacos
plásticos para análise
4# > 4,76mm
< 4,76mm
10# > 2,00mm
< 2,00mm
Figura 4.14 – Procedimento de preparação de amostras de solo.
•
Rejeito
O Rejeito Grosso (RG) e o Rejeito Fino Peneirado (RFP) foram secos ao ar, depois
homogeneizados e quarteados em amostras de 7 kg e 2,5 kg, respectivamente
acondicionadas em sacos plásticos devidamente identificados.
68
Para a preparação da amostra do Rejeito Fino Decantado (RFD), optou-se por deixá-lo
em estado natural úmido, acondicionada em bombona e secar em estufa a 60 graus
somente o material necessário para os ensaios.
A cinza foi a última amostra a ser preparada. Ela foi seca ao ar em local protegido do
vento, de forma que não se perdesse a fração fina. Após a secagem, foi desagregada em
peneira e homogeneizada, depois foi feita uma pilha e, por último, quarteada e
acondicionada em sacos plásticos de 1 kg.
b) Umidade de campo
Todas as amostras coletadas antes da sua preparação em laboratório tiveram a sua
umidade de campo determinada.
c) Densidade real dos grãos
É a densidade dos minerais que constituem os grãos do solo. O ensaio utilizado para a
determinação da densidade real dos grãos seguiu o método DNER – ME 093/94 (Solos
– Determinação da densidade real dos grãos).
d) Granulometria
A análise granulométrica dos solos foi realizada da forma tradicional e modificada,
combinando dois métodos: de peneiramento e de sedimentação. A primeira forma
seguiu o método descrito na norma de análise granulométrica – NBR 7181/84. Na
metodologia modificada não se utilizou o defloculante conforme a norma específica,
substituindo-o por água destilada e deixando a amostra em repouso por 24 horas. Após
o repouso, a amostra era levada a um equipamento dispersor, para posterior
sedimentação.
e) Limites de Atterberg
O Limite de Liquidez (W
L
) dos solos ensaiados foi determinado conforme o método
NBR 6459/84. A determinação do Limite de Plasticidade (W
P
) e do Índice de
Plasticidade (I
P
) seguiu a norma NBR 7180/84.
f) Compactação
Este ensaio foi realizado com o intuito de se determinar a umidade ótima de
compactação (w
ótm
) e a massa específica seca aparente máxima destes solos (ρ
s máx
),
para que fossem reproduzidas ao moldar os corpos de prova para os ensaios de
permeabilidade.
A compactação foi executada na energia Proctor Normal em cilindro CBR, seguindo a
norma DNER M 047/64 para as amostras de solo Jazida Empresa e Jazida Picollo. Já as
amostras Cinza Fina e Cinza Grossa tiveram a sua curva de compactação determinada
por compactação estática em cilindro de 2,5 cm de altura e 5,0 cm de diâmetro
(UBALDO, 2005).
69
g) Ensaio compacidade máxima e mínima
O Método Simples para avaliar a compacidade máxima e mínima de materiais foi
descrito por MARTINS & OLIVEIRA FILHO (1988). Este ensaio consiste em
acondicionar o material na fração areia no estado seco em um funil com abertura do
bocal inicialmente fechado em quantidade suficiente para que a areia flua pela abertura
do funil e preencha o corpo de prova que se deseja determinar o índice de vazios ou
realizar ensaio de permeabilidade a carga constante. A areia passa por sucessivas
peneiras posicionadas abaixo do funil, onde estas provocam o espalhamento do fluxo
concentrado que sai do funil formando uma chuva de areia sobre o molde que
acondiciona a amostra. A intensidade da chuva depende do diâmetro do funil. O índice
de vazios da amostra, função da compactação exercida pelos grãos, depende do
diâmetro do funil e da altura de queda do grão, mantendo-se a altura de queda. Quanto
mais fechada a abertura do funil, mais compacta será a amostra moldada.
Este procedimento foi realizado no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, bem
como foram utilizados também mesa vibratória (para maior compactação da amostra) e
lançamento direto da amostra com o mínimo da altura de queda (menor compactação da
amostra). Estes ensaios visaram obter a variabilidade do índice de vazios das amostras.
Esta metodologia foi reproduzida na realização do ensaio de permeabilidade para a areia
e Rejeito Fino Peneirado.
h) Permeabilidade saturada
A permeabilidade é medida no laboratório a partir da imposição de um fluxo sobre um
corpo de prova contido em uma célula, chamada de permeâmetro. Existem numerosas
variações de permeâmetros, que podem ser divididos em dois tipos: parede rígida e
flexível. O fluxo pode ser imposto principalmente por carga constante ou variável
segundo NBR 13292 e NBR 13293 respectivamente. No ensaio a carga variável, mede-
se a variação do nível do fluido no reservatório conectado ao corpo de prova ao longo
do tempo, e é tradicionalmente usado para determinar a permeabilidade de solos pouco
permeáveis (argilas e silte), tais como a Jazida Empresa e Picollo. Já o ensaio a carga
constante é mais aplicado a solos permeáveis como a Areia, Rejeito Fino Peneirado,
Cinza Fina e Cinza Grossa e consistem na percolação a partir do corpo de prova sob
uma de carga constante, e a vazão gerada é monitorada ao longo do tempo.
O ensaio de permeabilidade foi realizado em permeâmetro de paredes rígidas sob carga
variável, em corpos de prova cilíndricos de dimensões aproximadas de 10 cm de
diâmetro por 10 cm de altura. Estes corpos de prova foram moldados na energia Proctor
Normal em 3 umidades distintas, 2% abaixo da umidade ótima, 2% acima e na umidade
ótima. Antes de ser feito o ensaio de permeabilidade, os corpos de prova sofreram uma
saturação prévia por imersão de no mínimo 48 horas. O ensaio foi realizado até que a
permeabilidade permanecesse constante durante dois dias.
Nos ensaios realizados com a cinza, tanto fina quanto grossa, os corpos de prova foram
moldados estaticamente em cilindros de 2,5 cm de altura e 5,0 cm de diâmetro com
auxílio de colarinhos e pistão. Foi calculada a massa de solo necessária para a umidade
desejada e colocada dentro do cilindro e no colarinho, sendo aplicada à carga na prensa
de 10 t, até que o pistão superior encostasse no colarinho de compactação, atingindo
dessa forma a densidade calculada. Após um período sob estas condições, desmontava-
se o sistema de compactação e calculava-se a massa específica aparente obtida,
70
porosidade e volume de vazios. Se o parâmetro desta compactação estática reproduzisse
o valor calculado, procedia-se o ensaio de permeabilidade a carga constante.
Já com a Areia e o Rejeito Fino Peneirado, reproduziram-se densidades máximas,
mínimas e intermediárias do ensaio de pluviação, sendo encaminhado o corpo de prova
após moldagem no cilindro do permeâmetro ao painel de permeabilidade a carga
constante.
i) Curva de Retenção
A curva de retenção pode ser determinada por vários métodos, conforme citado no item
3.2.1. No presente trabalho foram utilizadas as técnicas do papel filtro, com contato
direto com a amostra, e do Extrator de Richards.
A Norma da ASTM D 5298/03 versa sobre o ensaio de papel filtro. Essa norma indica
que a amostra deve ser colocada em contato direto ou indireto com o papel (de acordo
com a finalidade do ensaio) e depois deve ser lacrada e acondicionada em caixa de
isopor em uma sala com temperatura controlada. Sendo deixada equalizar a umidade
relativa do solo com o papel filtro. Mede-se a umidade do papel-filtro e infere-se a
sucção do solo segundo uma curva de calibração do papel-filtro. O procedimento do
método do papel-filtro é bastante simples, entretanto, requer bastante cuidado na
determinação do teor de umidade do papel-filtro e durante a equalização da umidade.
A moldagem das amostras foi realizada com compactação estática em anéis cilíndricos
de 4,6cm de diâmetro e 2,3cm de altura. Dois procedimentos distintos foram utilizados,
ensaio com anel único e com vários anéis. Isso foi feito de forma a comparar os
resultados, considerando que a compactação estática confere maior repetibilidade dos
corpos de prova e o ensaio com vários anéis é mais rápido do que com anel único.
Ensaio com anel único
As amostras foram moldadas com teor correspondente à umidade ótima e apresentavam
saturações entre 80 e 90%. Para iniciar o ensaio, sofreram umedecimento de forma a
atingir valores próximos à saturação, e, para tanto, era calculado previamente o peso do
corpo de prova para atingir a saturação desejada. As amostras que sofreram
umedecimento ficaram em repouso por aproximadamente duas horas antes do contato
com o papel-filtro. No processo de secagem as amostras foram expostas ao tempo e os
teores de umidade foram controlados em relação ao peso de água perdido no processo
de evaporação.
Ensaios com vários anéis
Moldou-se o número de anéis correspondente ao número de pontos desejados no ensaio,
com umidade e índice de vazios inicial iguais. Nos pontos iniciais, procede-se o
umedecimento do corpo de prova já compactado, com o auxílio de uma pipeta, onde a
quantidade de água é foi previamente calculada para obter-se a umidade desejada. As
amostras que sofreram umedecimento ficaram em repouso tal como no ensaio com anel
único. Nos pontos com umidade inferior ao de compactação efetuou-se a secagem das
amostras que são expostas ao tempo e os teores de umidade são controlados com relação
ao peso de água perdido no processo de evaporação de cada anel.
71
Os corpos de prova moldados e previamente umedecidos ou secos foram colocados em
contato direto com dois papéis filtro, um no topo e outro na base da amostra. Este
conjunto, devidamente identificado, foi envolto em filme plástico, seguido de papel
alumínio e novamente com filme plástico. Após realizar este procedimento, todos os
anéis foram colocados dentro de duas caixas de isopor, na posição vertical em uma sala
com temperatura controlada a 25ºC, de modo que não houvesse uma variação da
temperatura maior que 3ºC, como sugerido pela norma ASTM D 5298/03 e MARINHO
(1994b).
Utilizou-se o tempo mínimo de equalização de sete dias para o material arenoso e 14
dias para o argiloso. Após o período de equalização, as amostras foram retiradas da
caixa de isopor, os papéis-filtro foram pesados em uma balança de precisão de quatro
casas decimais (±0,0001g), e a umidade do solo foi determinada a partir do peso
avaliado em balança, com precisão de três casas decimais (±0,001g).
Para evitar a perda ou ganho de umidade do papel-filtro, estes eram pesados dentro de
um pesa filtro. Após a pesagem dos papéis filtros, estes foram colocados na estufa à 105
0
C por um período de 24 horas e depois foram pesados secos, obtendo-se desse modo a
umidade do papel filtro.
No caso do ensaio com o único anel, após a pesagem do anel, o mesmo era deixado ao
ar para secar até o próximo teor de umidade desejado da curva de retenção. No caso do
ensaio com vários anéis, o solo era seco em estufa, sendo determinado o seu teor de
umidade final.
Com os dados de umidade do papel-filtro e a curva de calibração proposta por
CHANDLER et al. (1992) para o Whatman n
o
42, que foi o papel utilizado, obtém-se a
sucção do solo. As Equações 4.1 e 4.2 apresentam as curvas de calibração para teor de
umidade w > 47% ou w ≤ 47% respectivamente.
))log(48,205,6(
10
w
−
=
ψ
(Eq. 4.1)
)0622,084,4(
10
w
−
=
ψ
(Eq. 4.2)
Sendo: ψ - Sucção, KPa (MLT
-2
);
w = umidade do papel filtro (adimensional).
Algumas modificações da norma foram realizadas de acordo com observações relatadas
na literatura. Estas modificações foram as seguintes:
o papel filtro utilizado foi o Whatman n
o
42 no estado ao ar, o que permite
medições de sucção através deste tipo de papel-filtro de zero até 29MPa
(MARINHO & PEREIRA, 1998);
O papel filtro foi posicionado no topo e na base da amostra. Segundo
HAMBLIN (1981) apud MARINHO (1994a), o tempo de equalização aumenta
conforme aumenta o número de papéis e o erro devido à aderência do solo no
final do processo é menor do que os erros ocorridos devido ao tempo de
equalização;
O tempo de pesagem do papel filtro não deve ser superior a 30 segundos
segundo CHANDLER & GUTIERREZ (1986), de forma que o mesmo não
perca umidade para a atmosfera. Uma forma de evitar a perda de umidade é
72
colocar o papel em recipiente hermeticamente fechado e de preferência de
pequeno volume, tal como o pesa filtro utilizado.
Segundo REICHARDT (1987), existem dois tipos de aparelhos, um denominado panela
de pressão (que funciona para pressões entre 0 e 200 KPa) e outro denominado extrator
de Richards (para pressões de 100 a 2000 KPa). Nestes aparelhos, a amostra de solo é
colocada sobre uma pedra porosa saturada e em seguida, aplica-se uma sucção que faz
com que a água seja removida do solo. Após o equilíbrio o solo apresentará um teor de
umidade correspondente à sucção aplicada que pode ser obtida gravimetricamente
(pesando o corpo de prova no término do ensaio) ou volumetricamente (medido o
volume de água que sai do solo). Este ensaio foi realizado no laboratório da
EMBRAPA/CNPS de acordo com a metodologia descrita em EMBRAPA/CNPS (1997)
em anéis de 5,0 cm de diâmetro e 2,5 cm de altura moldados no campo para as Jazidas
Empresa, Antigo Depósito e Turfa. Outros ensaios foram realizados com anéis
moldados no cilindro de permeabilidade após o ensaio a carga constante para as
amostras da Jazida Empresa e Picollo.
j) Adensamento
O principal objetivo da realização deste ensaio é a obtenção do coeficiente de variação
volumétrica (Mv) fornecida pela Equação 4.3, que somente é válida admitindo-se a
variação linear entre as tensões e os índices de vazios:
)1(
0
ed
de
Mv
v
+
−=
σ
(Eq. 4.3)
Onde: Mv – coeficiente de variação volumétrica, KPa
-1
(MLT
-2
);
e
0
– índice de vazios inicial (adimensiconal);
de – variação linear do índice de vazios (adimensional);
σ
v
- variação linear da tensão vertical, KPa
-1
(MLT
-2
).
Para tanto, o ensaio foi realizado segundo a norma ABNT NBR 12.007/86 – Solo –
Ensaio de Adensamento Unidimensional. Os corpos de prova foram moldados por
compactação estática no próprio anel de adensamento que apresentava uma relação
diâmetro: altura de 5:1,9. A compactação foi realizada tentando reproduzir as condições
de umidade ótima e massa específica aparente seca máxima, bem como condições de
umidade e massa específica aparente seca superiores às obtidas no ensaio de
compactação. Estes ensaios foram realizados com as amostras de solo argiloso (Jazida
Empresa e Jazida Picollo) e arenoso (Cinza Grossa).
Os ensaios foram realizados com os corpos de prova embebidos. Foram aplicados seis
estágios de carregamento (6,25; 12,5; 25; 50; 100 e 200 KPa) e dois estágios de
descarregamento (100 e 50 KPa). Verificou-se que as deformações significativas
ocorreram nos primeiros minutos. Isto permitiu adotar o tempo de 60 minutos para a
duração de cada estágio de carregamento e 30 minutos para o descarregamento. A
adoção destes tempos está de acordo com o apresentado por GARCIA (2005), que
utilizou os tempos de 30 minutos e 15 minutos respectivamente para o carregamento e
descarregamento de amostras compactadas.
73
4.7. Caracterização físico-química
Os ensaios de caracterização físico-química empregados e suas metodologias são
apresentados a seguir:
a) pH, CE, C, N, H e TMO
Tanto a determinação do pH e CE, quanto do teor de matéria orgânica foram realizadas
segundo a metodologia da EMBRAPA/CNPS (1997).
O ∆pH (pH
H2O
– pH
KCl
) quando negativo indica a predominância de argilas silicatadas,
e quando positivo mostra o predomínio de óxidos de ferro e alumínio, e o ∆pH com
amplitude de valor grande e negativo indica que o alumínio trocável é elevado, ao passo
que valores de ∆pH próximo de zero indicam pequena quantidade de alumínio trocável.
O teor de matéria orgânica é calculado multiplicando-se o resultado do carbono
orgânico por 1,724. O carbono é determinado através da oxidação da matéria orgânica
com dicromato de potássio em meio sulfúrico, empregando-se como fonte de energia o
calor desprendido da reação. O excesso de dicromato após a oxidação é titulado com
solução padrão de sulfato ferroso amoniacal. O pH foi determinado com eletrodo
combinado imerso em suspensão solo:líquido, (água e KCl 1N), na proporção em massa
1:2,5.
Visando obter a relação carbono orgânico: nitrogênio total dos materiais para
determinar o grau de humificação da matéria orgânica utilizou-se a técnica de oxidação
da matéria orgânica pelo dicromato e o nitrogênio total pelo analisador elementar.
O analisador elementar de carbono, hidrogênio e nitrogênio é um instrumento de análise
quantitativa que determina, a partir da combustão dos elementos e sua condutividade
térmica, os percentuais dos elementos C, N e H totais em uma amostra.
b) CTC e ataque sulfúrico
Os argilominerais têm a capacidade de trocar os íons fixados ao longo das faces e
camadas estruturais por outros íons através de reações químicas, sem modificação da
estrutura cristalina (SANTOS, 1989). Esta capacidade de troca é resultado do
desequilíbrio de carga resultante das substituições isomórficas, quebra nas arestas das
partículas e substituição do hidrogênio por hidroxilas. Esta capacidade de troca pode ser
tanto de ânions (CTA) quanto de cátions (CTC).
Os cátions trocáveis das amostras foram determinados na EMBRAPA/CNPS a partir do
método da soma das bases trocáveis, conforme procedimento padrão daquela instituição
(EMBRAPA/CNPS, 1997).
A metodologia do ataque sulfúrico tem por base que o extrato sulfúrico é produzido
com uma força iônica que somente os minerais secundários (argilominerais e óxidos)
são dissolvidos e desse modo os percentuais de Fe, Al Si, Ti medidos são
correlacionados à da fração coloidal do solo. Este ensaio foi realizado na
EMBRAPA/CNPS segundo a metodologia desenvolvida por esta instituição em 1997.
74
c) Fluorescência de Raios X e Teor de Enxofre
A composição química das amostras foi determinada com o objetivo de se caracterizar o
percentual dos elementos que compunham as amostras, para isto, optou-se por uma
análise semi-quantitativa por fluorescência de raio X.
A determinação do enxofre total, pirítico, sulfático e orgânico foi realizada seguindo o
seguinte método: a amostra foi atacada em meio ácido e o enxofre total determinado
pelo LECO, o enxofre pirítico foi determinado por espectrometria de absorção atômica,
o enxofre sulfático foi determinado por gravimetria e o enxofre orgânico determinado
por diferença.
Tanto a fluorescência quanto o teor de enxofre foram determinados no Centro de
Tecnologia Mineral (CETEM) seguindo a metodologia do Centro de Análises Químicas
daquela instituição.
d) Ensaio de Lixiviação
Este ensaio tem por finalidade enquadrar os resíduos em tóxico e não tóxico. Foram
realizados no início do ano de 2004 e, por isso, seguem a norma ABNT NBR 10.005/87
que foi revisada no ano de 2004. A lixiviação é a operação de separar certas substâncias
constituintes dos resíduos industriais por meio de lavagem ou percolação.
No caso desse ensaio, essa lavagem é feita com ácido acético 0,5 N. O extrato lixiviado
é produzido a partir do contato do solo com a solução em uma razão de 1:16 (40 g de
solo:640 mL de água destilada deionizada), agitado em um jar test e com ajuste do pH
dessa mistura heterogênea com ácido acético 0,5 N para o pH 5,0. Durante o ensaio o
pH é conferido em tempos determinados até que este se mantenha em torno de 5,0 onde
se prossegue a agitação por 24 horas. Após 24 horas, o pH é corrigido com o ácido até
5,0 e depois a suspensão é filtrada e analisada quanto a elementos químicos lixiviáveis.
O resultado da análise é comparado com a listagem sete da norma ABNT NBR
10.004/87 para se determinar se a concentração do elemento está acima ou abaixo do
limite admissível.
e) Ensaio de Solubilização
O Ensaio de Solubilização foi realizado também no ano início de 2004 segundo a norma
ABNT NBR 10.006/87, e esta fixa as condições exigíveis para diferenciar os resíduos a
partir do ensaio de solubilização. O ensaio consiste na análise de um estrato solubilizado
produzido pelo contato de 250 g de resíduo em 1.000 mL de água destilada e deionizada
por 7 dias. O resultado da análise é comparado com a listagem número oito da norma
10.004/87 para resíduos no estado sólido. No caso deste trabalho, buscava-se enquadrar
os resíduos estudados nas classes II (Não Inerte) ou Classe III (Inerte) da referida norma
ou classes II-A (Não Inerte) ou Classe II-B (Inerte) na 10.004/2004.
4.8. Ensaios químicos especiais
Os ensaios químicos especiais empregados e suas metodologias são apresentados nos
itens a seguir:
75
a) Capacidade Tampão
Segundo YONG et al. (1990), em se tratando de sistema solo-água, o solo pode atuar
como um ácido ou como uma base, adsorvendo e/ou removendo íon H+ e OH-,
oferecendo desse modo resistência à variação do pH da solução. Quando um ácido
penetra no solo o efeito sobre o pH da solução pode ser grande ou pequeno, dependendo
do pH inicial do solo, da acidez do percolado e da capacidade do solo de resistir à
mudança de pH. Para o presente estudo, o conceito de resistência à variação do pH é
importante porque a quantidade de metais em solução depende da acidez da água.
Este ensaio é bastante simples e fornece dados qualitativos imediatos, e pode ser
utilizado no próprio rejeito, solo ou cinza (MENDONÇA et al.. 2003b).
Para a execução do ensaio são preparadas soluções cuja concentração de ácido nítrico
varia de 0 a 0,2 mol/L. As soluções ácidas são adicionadas ao solo na razão em massa
1:10 de solo:solução, e postas para agitar a 150 rpm durante 24 horas a temperatura
ambiente.
As suspensões são centrifugadas a 3000 rpm durante 5 minutos. O pH do sistema
solo:solução é medido no término deste procedimento. O resultado é apresentado sob a
forma curva em um gráfico de pH da suspensão versus o cmol ácido adicionado por
H
+
kg
-1
de solo, onde a capacidade tampão é a inclinação negativa da curva no intervalo
de pH de interesse.
b) Balanço Ácido-Base
O balanço ácido-base (ABA) foi desenvolvido por SOBEK et al. (1978) para avaliar as
quantidades relativas entre as substâncias geradoras de acidez (percentual de enxofre) e
as substâncias consumidoras de acidez, sem levar em conta os tempos envolvidos no
processo.
O balanço ácido-base consiste no primeiro tipo de ensaio a ser adotado em projetos
onde a drenagem ácida apresenta-se como um aspecto relevante, sendo seu resultado
utilizado como indicativo de potenciais problemas (MEND,1991). Ele fornece dados
numéricos, que podem ser facilmente assimilados para tomadas de decisões para planos
de lavra, disposição de estéril e plano de fechamento de minas.
No balanço ácido-base é feita uma estimativa do potencial máximo de acidificação
(APP) a partir da quantidade máxima de ácido que pode ser gerada por uma amostra
contendo material reativo. A acidez é reportada como a quantidade de carbonato de
cálcio que seria necessária para neutralizar a acidez gerada pela quantidade de enxofre
total presente na amostra que estaria sob a forma de pirita. Estequiometricamente, para
neutralizar a acidez gerada por 1 mol de enxofre (S) presente na pirita, é necessário 1
mol ou 3,125g de CaCO
3
.
O potencial de neutralização (PN) é a capacidade que os componentes do resíduo têm de
liberar alcalinidade. A estimativa do potencial de neutralização inclui principalmente os
carbonatos, uma vez que a acidez é determinada até que a efervescência com ácido
clorídrico cesse. A existência de material carbonático na amostra é determinada pelo
ácido consumido no processo, sendo este convertido para mesma unidade que o
76
potencial de produção de ácido. Nesse caso, outros minerais que contribuem para a
neutralização não são considerados.
4.9. Ensaios mineralógicos
As propriedades físicas e químicas dos materiais amostrados dependem diretamente da
mineralogia, composição química, textura, arranjo das partículas e efeitos ambientais. O
conhecimento da mineralogia e da presença de compostos químicos amorfos pode ser de
grande valia para o entendimento das propriedades geotécnicas e químicas dos
materiais, principalmente com relação aos limites de consistência e potencial de
liberação de metais.
a) Mineralogia
O método escolhido neste trabalho para a identificação dos minerais argilosos e não
argilosos foi a difração de raios-X. A difração de raios-X fornece uma análise semi-
quantitativa dos minerais cristalizados presentes na amostra. A pesquisa nas amostras
coletadas enfocou a busca dos seguintes compostos: carbonatos e argilominerais.
O estudo da mineralogia dos solos foi realizado no Laboratório de Mineralogia do Solo
do Departamento de Solos da Universidade Federal de Viçosa com a amostra total pela
técnica do pó (material passante na peneira 150 mesh), e nas frações silte e argila pela
técnica do esfregaço em lâmina (separadas por sedimentação). O equipamento foi um
difratômetro de raios-x Rigaku D-Max operado com 40kV e 30mA com tubo de cobalto
e monocromador de grafite curvo para obtenção de radiação Co-Kα.
A difração de raios-X da amostra total dos resíduos (CG, CF, RFD, RFP e RG) foi
realizada no CETEM com o material passante na peneira de 150 mesh utilizando a
técnica do pó. O equipamento utilizado foi o Siemens/Brucker – AXS D5005, equipado
com espelho de Goebel para feixe paralelo de raios-X, monocromador de grafite,
quando necessário, e detector de NaI de estado sólido. A radiação utilizada foi Cu-Kα
(40 kV / 40 mA); a velocidade do goniômetro foi de 0,02
0
2θ por passo com tempo de
contagem de 1,0 segundo por passo. A interpretação foi efetuada por comparação com
padrões contidos na base de dados da International Centre for Diffraction Data (ICDD)
de 1996 em software Siemens Diffrac Plus.
b) MEV
As amostras da Jazida Empresa e Jazida Picollo sob diferentes condições de
compactação e a Cinza Grossa como pó, foram observadas em microscópio eletrônico
de varredura (MEV) da Marca Jeol Modelo JSM5300 do Laboratório de Membranas da
Engenharia Química da COPPE/UFRJ.
Esta análise foi realizada no sentido de observar como ocorre a distribuição dos poros
nos materiais estudados.
As amostras da JE e JP analisadas no MEV foram retiradas dos corpos de prova
ensaiados quanto à difusão. Na preparação da amostra para o MEV, foi moldado um
cubo com 1 cm de aresta, sendo este posteriormente partido ao meio de forma a não
77
alterar a estrutura. Foram moldados três cubos por amostra perfazendo então seis
amostras que depois foram secas, em estufa a 60
0
C, até atingir peso constante e
acondicionadas em dessecador até o momento da análise. Do material preparado foram
escolhidas as melhores amostras, que posteriormente foram coladas em um pedestal e
receberam um banho de ouro. O conjunto montado e impregnado foi posteriormente
encaminhado ao Microscópio de Varredura Eletrônico onde foi observado.
Com relação à CG, por tratar-se de um material granular, ao secar em estufa não se
mantinha estável sob a forma de cubo. Optou-se então em observar o pó seco em estufa
por que os grãos deste material é poroso. Uma fita é colocada no pedestal e o material
foi pulverizado, posteriormente foi retirado o excesso e procedida a impregnação e a
observação no MEV com aumentos de 150X, 350X e 750X.
4.10. Atividade microbiológica
A Figura 4.15 mostra uma síntese dos diversos passos e tipos de avaliação dos
organismos do solo possíveis. As características avaliadas referem-se à densidade,
diversidade e atividade de organismos específicos ou de comunidades.
Figura 4.15 – Métodos de avaliação de ocorrência, diversidade, densidade e atividade de
organismos do solo (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
Neste trabalho será utilizada uma avaliação da ocorrência de densidade de colônias e/ou
a diversidade indireta, mas também foi estudada a preparação e conservação das
amostras, a esterilização e determinação das unidades formadoras de colônia conforme
será apresentado a seguir. Este estudo foi realizado porque os microorganismos
presentes no solo afetam o ensaio de difusão.
AMOSTRAGEM DO SOLO:
TIPO, TRATAMENTO ESTATÍSTICO, CARACTERIZAÇÃO DO SÍTIO, CARACTERIZAÇÃO
QUÍMICA E FÍSICA, ARMAZENAMENTO
Avaliações Técnicas de Esterilização
Ocorrência Densidade/Diversidade Processos Atividades
Direta
Semi
-
Direta
Indireta
Microscopia
simples
Extração simples
Estruturas
morfológicas
Microscopia de
alta resolução
associada ao uso
de antígenos
corantes
Extrações:
esporos
nematóides
mesofauna
Meios de cultivo
com diferentes
graus de
seletividade
Biomassa
microbiana
Análise de
moléculas
Caracterização dos
organismos isolados
Análise de substratos e/ou produtos das
reações bioquímicas
Técnicas isotrópicas
Cromatografia
Titulometria
Bioluminescência
Calorimetria
Colorimetria
Microscopia de alta resolução
(influência da matéria orgânica na
microestrutura do solo)
78
a) Preparação da amostra
Para a análise do solo, este pode ser coletado de forma deformada ou indeformada
dependendo do método de avaliação de ocorrência, diversidade, densidade e atividades
de microorganismos utilizados. Em geral, o transporte deve ser imediato, resfriando-se
as amostras e colocando-se em recipiente com isolamento térmico, evitando, no caso de
amostras indeformadas, vibrações. O armazenamento das amostras deve ser de 2 a 4
0
C
por até 4 semanas ou -20
0
C para períodos maiores (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
Antes de vários procedimentos de avaliação são necessários tratamentos de esterilização
dos materiais empregados (HUNGRIA & ARAÚJO, 1994). Os métodos de esterilização
são: fogo, vapor sob pressão (autoclavagem), calor seco (ar quente), vapor sem pressão,
gases (óxido de etileno e o formaldeído), filtragem em papéis especiais, radiação e
esterilização química com óxido etileno, formaldeído e glutaraldeído.
Para a desinfecção são utilizados diversos produtos químicos e os mais comumente
empregados são o álcool e o hipoclorito, entre outros. O agente químico pode inibir ou
impedir o crescimento de microorganismos da seguinte forma: alterando a
permeabilidade da membrana, desnaturando suas proteínas, inibindo a atividade
enzimática, inibindo a síntese de ácidos nucléicos e oxidando.
No presente trabalho as amostras coletadas no campo foram acondicionadas no freezer
para a determinação das unidades formadoras de colônias. Como técnicas de
esterilização utilizou-se autoclavagem, calor seco e radiação ultravioleta e para
desinfecção utilizou-se álcool etílico a 70% e lysoforme diluído em água.
b) Esterilização do solo
Através da esterilização, procura-se eliminar completamente todos os organismos vivos,
incluindo esporos. Já na desinfecção, todos os organismos em estado vegetativo são
eliminados, o que não inclui os esporos. (HUNGRIA & ARAÚJO, 1994).
Para a estimativa da biomassa microbiana, o solo necessita ser esterilizado e a atividade
microbiológica deve ser inibida. Existem vários métodos de esterilização e inibição da
proliferação de microorganismos no solo, destacando-se os seguintes: esterilização por
autoclavagem, irradiação de raios gama, inibição da atividade microbiológíca com
azida, cianeto, tolueno ou formaldeído.
Serão apresentadas a seguir as metodologias de esterilização por autoclavagem e
inibição microbiológica com azida e formaldeído que foram testadas neste trabalho.
Para a esterilização do solo foram utilizados 3 ciclos de autoclavagem intercalados por
um período de 8 horas. Cada ciclo de autoclavagem foi realizado a 1,1 atm, temperatura
aproximada de 120
0
C e tempo de 30 minutos para no máximo 500 g de solo (ALEF &
NANNIPIERI, 1995). A esterilização por autoclavagem destrói a estrutura do solo e
pode liberar substâncias orgânicas tais como os aminoácidos devido às temperaturas
atingidas, alterando dessa forma a plasticidade do solo.
Segundo ALEF & NANNIPIERI (1995), concentrações de azida e cianeto variando de
1-10% inibem fortemente a atividade microbiológica. A metodologia consiste em
misturar soluções de azida e cianeto ao solo ou à suspensão de solo para obter
79
concentrações de 1-10% para azida e cianeto ou 1-5% para o tolueno. O material deve
incubar por no mínimo 48 horas à temperatura ambiente. SABATÉ et al. (2004)
utilizam formaldeído 3% para o controle abiótico de ensaios microbiológicos. O
formaldeído é notoriamente conhecido com relação ao seu poder de esterilização
química, contudo, é utilizado com menos frequência do que a azida em solos. Esta
técnica não modifica a estrutura do solo, contudo, as substâncias são extremamente
tóxicas principalmente pela inalação, o que requer cuidado na manipulação.
Foram avaliadas as características de granulometria, de peso específico dos grãos e de
teor de matéria orgânica após a autoclavagem, de forma a verificar possíveis mudanças
no comportamento da amostra. A consistência do solo também foi avaliada após a
autoclavagem, sendo este o único ensaio geotécnico utilizado para avaliar o solo após a
adição dos compostos químicos.
c) Unidades Formadoras de Colônias (UFC)
Dentre as técnicas apresentadas na Figura 4.15 optou-se pela técnica indireta de
avaliação microbiológica baseada no cultivo e contagem da densidade de
microorganismos em meios nutritivos. Esta metodologia tem por objetivo avaliar a
diversidade microbiana cultivável em uma amostra de solo e estimar o número de
Unidades Formadoras de Colônias (UFC) de bactérias heterotróficas e de fungos. Esta
técnica pressupõe que cada célula formará uma colônia (BROCK et al., 1994).
Esta técnica foi selecionada por que é o método mais utilizado para a avaliação da
densidade microbiana, mesmo sabendo sua limitação, onde somente 1% dos organismos
presentes nos solos são cultiváveis e crescem em meio de cultura (MOREIRA &
SIQUEIRA, 2002). Em vista disso, as contagens são subestimativas das densidades dos
organismos presentes. Em função das características morfológicas, fisiológicas e
bioquímicas em meio de cultura este cultivo não reflete necessariamente o conjunto de
organismos encontrado no solo. Mas esta técnica é útil no estudo comparativo de
amostras esterilizadas e não esterilizadas, bem como para a avaliação da eficiência das
técnicas de esterilização e inibição empregadas no solo.
O número de organismos heterotróficos viáveis e cultiváveis no solo foi determinado
pelo método das diluições sucessivas e contagem em placa. Para a retirada dos
microorganismos do solo foi preparado em erlenmeyer uma suspensão com 10 g de solo
e 100 mL de solução salina estéril (NaCl a 0,9%) que foi agitada no shaker a 150
rotações por minutos por uma hora. Diluições sucessivas em tubos de ensaio com 1 ml
de suspensão e 9 mL de solução salina (10
-1
a 10
-10
) foram realizadas utilizando o
agitador mecânico de tubos vortex. Para cada diluição, foram plaqueadas em duplicata
alíquotas de 0,1 mL em 20 mL de meio de cultura TSA fundido (Triptcase Soil Agar -
(“Tryptic Soy Agar” - que é um meio não seletivo, para o isolamento de bactérias
heterotróficas diversas) em placa de petri pelo método de derramamento do meio de
cultura.
A confecção de cada placa para o desenvolvimento da cultura consistiu na adição de 10
mL de meio de cultura seguido de 0,1 mL de suspensão solo:solução salina e depois
mais 10 mL de meio de cultura, posteriormente movimentos em oito foram realizados
por um período de 30 segundos para permitir a mistura da suspensão ao meio de cultura.
Nesta técnica de plaqueamento (pour-plate method) as colônias aparecem estratificadas
80
em vários níveis dentro do meio de cultura. Cada diluição foi realizada em duplicata. As
ações de diluição e plaqueamento foram realizadas próximas ao Bico de Bunsen em
câmara de fluxo laminar ou capela esterilizada respectivamente por radiação ultravioleta
ou formaldeído. Após o endurecimento do meio as placas foram viradas e levadas em
estufa para incubação a 35
0
C por um período de 48 horas. Um esquema da metodologia
desse ensaio é ilustrado na Figura 4.16.
O número de unidades formadoras de colônias (U.F.C./g solo) foi determinado por
contagem de colônias em lupa, em observações a olho nu após o término do período de
incubação (Figura 4.17). No meio sólido a contagem pode ser feita considerando o
número de colônias na diluição que apresente entre 30 e 300 colônias, para bactérias, e
10 a 100 colônias, para fungos, e multiplicando-se este número (a média das repetições)
pelo fator de diluição empregado.
1 ml 1 ml 1 ml 1 ml 1 ml 1 ml
2 017159
100
10g solo
+
100 ml NaCl
9 ml NaCl
10
2
10
3 4
10 10
5
10
6
10
7
> 300
159 x 10
4
Fator de Diluição
=
Organismos por mL
da amostra original
1.59 x 10
5
0,1 ml 0,1 ml 0,1 ml 0,1 ml 0,1 ml 0,1 ml
Inóculo colocado na placa
esterilizada com o meio de
cultura
Adição do meio de
cultura esterelizado
sobre o inóculo
Todas as placas são
incubadas de cabeça
para baixo
Resultado típico
Colônias
superficiais
Colônias
subsuperficiais
Agitar as placas e
deixar o meio secar
Figura 4.16 – Método das diluições sucessivas (taxa de diluição 1:10) com duas repetições para
contagem de microorganismos em meio TSA (modificado de BROCK
et al
., 1994).
Para confirmar a esterilização e inibição microbiológica é sugerido o uso de técnicas de
contagem microbiológica como a de unidades formadoras de colônias e parâmetros de
respiração microbiológica. A análise microbiológica foi realizada sob as seguintes
condições: a) no solo natural coletado no campo; b) antes e após o ensaio de difusão, na
condição de inibição/esterilização da atividade microbiana; c) no solo
esterilizado/inibido após o ensaio de difusão para checar a intensidade e a persistência
da inibição.
81
Figura 4.17 – Contagem de colônias em lupa.
82
5. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA
5.1. Introdução
Este capítulo apresenta os resultados dos ensaios de caracterização geotécnica
(densidade real dos grãos, limites de Atterberg e análise granulométrica), englobando a
permeabilidade saturada, adensamento, compactação, compacidade da areia, curva de
retenção. Apresenta, ainda, os resultados das análises físico-químicas (CTC, ataque
sulfúrico, composição química, teor de enxofre, valor do pH e teor de matéria orgânica),
capacidade tampão, balanço ácido-base, lixiviação, solubilização e análise mineralógica
(difração de Raios-X e Microscopia Eletrônica de Varredura). Um estudo inicial quanto
à atividade microbiológica presente nos solos e na Cinza Grossa também é apresentado.
5.2. Resultados dos ensaios de campo
No item 4.3 foi comentado sobre a coleta das amostras. Durante a permanência na área
da empresa foram executados, além das coletas, ensaios de massa específica in situ e
infiltração no solo e no rejeito.
Os solos e a Turfa (T) estudados não estavam no seu local de origem, mas, sim,
compondo coberturas de resíduos em um antigo depósito de rejeito e em bancadas do
depósito de rejeitos em operação. No dia da coleta o solo que estava compondo a
cobertura mostrava-se extremamente seco, não sendo possível cravar o anel no material
designado Jazida Picollo (JP).
A amostra Jazida Empresa (JE) foi estudada em um local onde estava sendo construída
uma cobertura. A Turfa no sistema de cobertura é disposta como uma camada com
espessura inferior a 5 cm, com o objetivo de ser um substrato para a fixação da grama, e
essa espessura inviabiliza o ensaio de infiltração e a cravação do anel.
A empresa não possui um projeto claro quanto à seqüência e localização dos diversos
rejeitos, durante a disposição dos resíduos. Uma breve descrição da disposição dos
resíduos na empresa foi apresentada no item 4.2. Quando a lagoa de decantação atinge a
sua capacidade máxima, o Rejeito Fino Decantado (RFD = mistura de RFD e RPF) é
retirado da lagoa de decantação sendo disposto com elevado grau de saturação no
depósito de rejeito. Para tanto, a empresa cria um anfiteatro com o Rejeito Grosso - RG
(mistura de R1 + R2) onde o RFD (lama) proveniente é disposto no centro.
Ao estudar os materiais presentes nas diversas cavas, realizadas no depósito, foi
observado que o RFD penetra no RG fechando os seus poros, e quando seco forma um
“pé-de-moleque”, sendo esta ação favorável na gestão do depósito devido à redução do
volume. Mas o RFD não é distribuído de forma uniforme, favorecendo a criação de
83
descontinuidades hidráulicas no depósito, e criando lençóis suspensos de drenagem
ácida. Cobrindo o RG e dando o acabamento no topo das pilhas ou compondo as pistas
de acesso no depósito, é disposto com o auxílio de um rolo vibratório o Rejeito Fino
Peneirado (RFP). O RFP garante a segurança no depósito principalmente nos dias de
chuva, evitando a derrapagem dos caminhões, e também selando os poros no RG.
A Tabela 5.1 apresenta uma síntese dos ensaios realizados no campo e a Tabela 5.2
apresenta um resumo dos resultados obtidos.
Tabela 5.1 - Síntese dos ensaios de campo realizados durante a coleta.
Massa específica
in situ
Infiltração Amostras de Solo
Frasco
de areia
Anel
cravado
Cava Duplo
Anel
Cava
Jazida Empresa - JE
2 ensaios
1 anel - 2 ensaios
-
Jazida Picollo - JP
2 ensaios
- - 2 ensaios
-
Antigo Depósito - AD
2 ensaios
1 anel - 2 ensaios
-
Turfa - T
* 1 anel - - -
Solo
Areia - A
** - - - -
Rejeito Grosso - RG
- - 2 ensaios
- 2 ensaios
Rejeito Fino Peneirado - RFP**
- - - 2 ensaios
-
Rejeito Fino Decantado - RFD**
- - - - -
Cinza Grossa - CG**
- - - - -
Rejeito
Cinza Fina - CF**
- - - - -
*- Espessura fina da turfa na cobertura o que impediu o ensaio
** - amostra não coletada pelo CETEM
- - ensaio não realizado ou ensaio não se aplica
Tabela 5.2 – Resultados dos ensaios de campo.
Massa Específica
Anel Cravado
Massa Específica e Infiltração
Frasco de areia e Cava
Amostra
ρ
ρρ
ρ
seca
(g/cm
3
)
e n
ρ
ρρ
ρ
seca
(g/cm
3
)
e n
Vi - velocidade
de infiltração
(cm/s)
JE 1,574 0,694 0,410
1,578* 0,69 0,41 2,3 x 10
-4
JP - - - 1,537* 0,70 0,41 6,8 x 10
-3
AD 1,494 0,822 0,451
1,720*
0,58 0,37 2,3 x 10
-4
T 1,355 0,248 0,199
- - - -
RG - - - Cava 1 - 1,440**
Cava 2 -1,620**
0,67
0,49
0,40
0,33
4,0 x 10
-1
1,6 x 10
-2
*- média dos ensaios frasco de areia
** - relação massa/volume das cavas feitas no resíduo
- - ensaio não realizado ou ensaio não se aplica
Foi observada uma discrepância entre os valores de massa específica obtidos para o
Antigo Depósito, onde o valor do frasco de areia é mais elevado do que o obtido com o
anel de cravação, diferente do valor semelhante obtido para a Jazida Empresa. Por se
tratar de um material semelhante ao da Jazida Empresa o valor do anel de cravação está
mais correto.
Não se observa diferença significativa entre os valores de infiltração na Jazida Empresa
e Antigo Depósito. Em contrapartida, a Jazida Pícollo tem uma maior velocidade de
infiltração maior. Com relação aos rejeitos, na cava 1 o Rejeito Grosso quase não
apresentava finos preenchendo os poros, expondo dessa forma uma permeabilidade
84
maior do que a observada na cava 2, que possui Rejeito Fino Peneirado preenchendo os
poros.
5.3. Resultados dos ensaios geotécnicos
Os ensaios de caracterização geotécnica foram realizados no Laboratório de Geotecnia
da COPPE-UFRJ e na EMBRAPA/CNPS, procurando-se caracterizar o comportamento
físico dos diferentes materiais.
5.3.1.
Umidade do material coletado
Todas as amostras coletadas na jazida ou no pátio de armazenamento da empresa ou
coletadas pela empresa ou Usina Termelétrica de Tubarão, antes da sua preparação em
laboratório, tiveram a sua umidade determinada pela norma NBR 6487/88 conforme
apresentado na Tabela 5.3.
Tabela 5.3 – Resultados do ensaio de umidade.
SOLOS
TEOR DE
UMIDADE (%)
REJEITOS
TEOR DE
UMIDADE (%)
Jazida Empresa 26,03 Rejeito Grosso 3,77
Jazida Picollo 25,61 Rejeito Fino Peneirado 15,4
Antigo depósito 23,34 Rejeito Fino Decantado 125,17
Turfa* 91,19 Cinza Grossa 5,17
Areia** 0,00 Cinza Fina 0,12
A areia não apresentou teor de umidade porque ela foi previamente seca em estufa na
Carbonífera Criciúma S.A. antes do seu envio. O valor de teor de umidade encontrado
para a Turfa é baixo quando comparado com os valores da literatura, isso ocorre porque
a mesma não está encontra completamente humificada, apresentando muito material em
estágio inicial de decomposição.
5.3.2. Densidade real dos grãos
A Cinza Grossa e a Cinza Fina enviadas pela Usina Termelétrica de Tubarão foram
caracterizadas. Contudo, o volume foi insuficiente para o desenvolvimento de todo o
trabalho, e em 2004 foi enviada uma segunda amostra cujo ensaio de caracterização foi
realizado por UBALDO (2005). Os resultados obtidos para as cinzas e demais materiais
coletados encontram-se listados na Tabela 5.4.
CHIES et al. (2003) estudaram cinco cinzas de fundo (Cinza Grossa) de termelétricas
brasileiras e relatam que obtiveram valores de Gs variando de 2,280 a 2,090, onde para
a Usina Termelétrica de Tubarão foi encontrado o valor de 2,120. O carvão apresenta
uma composição mineral que varia ao longo do depósito, bem como o carvão nacional é
misturado ao carvão importado, isto se reflete na variação do G
s
principalmente da
Cinza Grossa. No universo de valores obtidos para a Cinza Grossa, a mesma apresenta
85
valor de densidade real dos grãos de 2,040 ± 0,081. Já a Cinza Fina não apresenta
diferença entre as duas amostras analisadas.
Tabela 5.4 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos (G
s
).
SOLOS
DENSIDADE
REAL DOS
GRÃOS (
G
s
)
REJEITOS
DENSIDADE
REAL DOS
GRÃOS (
G
s
)
Jazida Empresa 2,667 Rejeito Grosso 2,407
Jazida Picollo 2,581 Rejeito Fino Peneirado 2,278
Antigo depósito 2,723 Rejeito Fino Decantado 1,996
Turfa 1,691 Cinza Grossa 1,958 e 2,043*
Areia 2,630 Cinza Fina 2.090* e 2,092
* Valores determinados por UBALDO (2005)
5.3.3.
Granulometria
A Tabela 5.5 apresenta um resumo com o percentual das frações granulométricas argila,
silte, areia e pedregulhos para os materiais estudados obtidos a partir da análise das
curvas granulométricas.
Tabela 5.5 – Classificação e percentual de pedregulho, areia, silte e argila dos diferentes
materiais estudados (de acordo com a NBR 7181/84).
Argila Silte Areia Pedregulho Passante # Amostra
(%) (%) (%) (%) 200
Jazida Empresa 22 45 33 0 70
Jazida Picollo 24 38 38 0 67
Antigo Depósito 31 34 33 2 68
Turfa 0 8 84 8 9
Areia 0 0 92 8 0
Rejeito Grosso 0 9 16 75 9
Rejeito Fino Peneirado 5 11 84 0 16
Rejeito Fino Decantado 38 48 14 0 97
Cinza Grossa 0 13 79 8 13
Cinza Fina 2 74 24 0 20
As curvas granulométricas obtidas segundo os métodos tradicional (linha contínua) e
modificado (linha tracejada) são apresentadas nas Figuras 5.1 (solos), 5.2 (rejeitos) e 5.3
(cinzas).
86
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Empesa
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Picollo
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Antigo Depósito
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Areia
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Turfa
Figura 5.1 – Resultado do ensaio de granulometria dos solos que serão avaliados como
componentes do sistema de cobertura, onde a linha contínua representa o ensaio tradicional e a
tracejada o ensaio modificado.
87
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULHO
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Rejeito Grosso
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Rejeito Fino Peneirado
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Rejeito Fino Decantado
Figura 5.2 – Resultado do ensaio de granulometria dos resíduos que são dispostos no depósito
de rejeito, onde a linha contínua representa o ensaio tradicional e a tracejada o ensaio
modificado.
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Cinza Grossa
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Cinza Fina
Figura 5.3 – Resultado do ensaio de granulometria das cinzas que serão avaliadas como
barreira capilar no sistema de cobertura, onde a linha contínua representa o ensaio tradicional e
a tracejada o ensaio modificado.
.
Na Cinza Grossa estudada a distribuição granulométrica, tal como a densidade real dos
grãos, apresenta diferenças entre as duas amostras analisadas e a de
CHIES et al (2003).
A Cinza Grossa analisada por CHIES et al. (2003) tem menor percentual de pedregulho
e areia e maior de silte.
5.3.4.
Limites de Atterberg
Os resultados de limite de liquidez, plasticidade e índice de plasticidade encontram-se
listados na Tabela 5.6. A classificação no Sistema Unificado de Classificação de Solos
(SUCS) é tradicionalmente utilizada pelos engenheiros geotécnicos e leva em conta a
curva granulométrica, limite de liquidez e índice de plasticidade. Esta classificação foi
empregada para os materiais estudados e também é apresentada na Tabela 5.6.
88
Tabela 5.6 – Resultados dos limites de consistência e classificação SUCS dos solos e Rejeitos
coletados.
AMOSTRA w
L
(%) wp (%) IP (%) Classificação SUCS
Jazida Empresa 24,8 12,5 12,3 CL
Jazida Picollo 37,8 24,0 13,8 CL
Antigo Depósito 39,2 17,5 21,7 CL
Turfa - NP NP SM
Areia - NP NP SP
Rejeito Grosso - NP NP GW-GC
Rejeito Fino Peneirado - NP NP SM
Rejeito Fino Decantado 44 20,8 23,2 CL
Cinza Grossa - NP NP SM
Cinza Fina - NP NP ML
Legenda: CL – Argila de baixa compressibilidade; ML – Silte de baixa compressibilidade; SM – Areia
siltosa; SP – Areia mal graduada; GW – Pedregulho bem graduado; GC – Pedregulho com finos.
O limite de plasticidade encontrado para todos os solos é menor do que 25%, que é o
limite inferior da caulinita, indicando a presença de uma mineralogia pouco ativa ou
quartzo em elevada proporção nestas amostras. Já o limite de liquidez encontra-se
dentro dos valores esperados para um solo que apresenta caulinita, exceto para a Jazida
Empresa onde os valores são inferiores. O índice de plasticidade da Jazida Empresa e da
Jazida Picollo são inferiores a 15% e limite de liquidez inferior a 50%, indicando o
possível uso em cobertura. O Rejeito Fino Decantado apresenta plasticidade com
valores compatíveis ao mineral caulinita, mas é o percentual de matéria orgânica
elevado desse material que confere plasticidade.
5.3.5.
Compactação
Os resultados de umidade ótima e massa específica aparente seca máxima, obtidos para
os materiais estudados, encontram-se listados na Tabela 5.7 e as curvas de compactação
são mostradas nas Figuras 5.4 e 5.5. As curvas de compactação para a Jazida Empresa e
Picollo foram obtidas por compactação dinâmica na energia Proctor Normal, e para a
Cinza Fina e Grossa foram determinadas a partir de compactação estática.
Tabela 5.7 – Resumo dos parâmetros obtidos na curva de compactação dos diferentes materiais
ensaiados.
Amostra Jazida Empresa Jazida Picollo
Cinza Fina
Cinza Grossa
w ótima (%) 14,20 25,80 29,00 42,00
ρ
s
máxima (g/cm
3
)
1,810 1,408 1,180 0,990
Como esperado, as curvas de compactação das cinzas são características de materiais
granulares, ou seja, abertas e oferecem pequena variação da massa específica com o
acréscimo da umidade. UBALDO (2005) afirma que as curvas obtidas para a Cinza
Grossa e a Cinza Fina não diferem significativamente das obtidas por HEINECK et al.
(2003) e NIESHIKAWA et al. (2002), respectivamente, para a Cinza Grossa e fina. Já
as curvas da Jazida Picollo e da Jazida Empresa tem esses pontos bem marcados. O
valor baixo de massa específica aparente seca e o teor de umidade mais elevado da
Jazida Picollo podem ser atribuídos à presença de matéria orgânica.
89
1.620
1.720
1.820
8 10 12 14 16 18 20
Umidade Média (%)
ρ
s
(g/cm
3
)
(a) Jazida Empresa
1.360
1.370
1.380
1.390
1.400
1.410
1.420
20 22 24 26 28 30
Umidade Média (%)
ρ
s
(g/cm
3
)
(b) Jazida Picollo
Figura 5.4 – Curva de compactação dos Solos que serão utilizados no Sistema de Cobertura.
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Umidade Média ( % )
ρ
s
( g/cm
3
)
(a) Cinza Grossa
1.050
1.100
1.150
1.200
1.250
10 15 20 25 30 35 40 45
Umidade Média ( % )
ρ
s
( g/cm
3
)
(b) Cinza Fina
Figura 5.5 – Curva de compactação da Cinza Grossa e Cinza Fina, moldadas estaticamente
(UBALDO, 2005).
Destaca-se aqui que a Jazida Empresa, a Jazida Picollo e o Antigo Depósito apresentam
teor de finos na ordem de 70%. Mas a Jazida Empresa, dos solos estudados, é o que
apresenta maior dificuldade quanto à manipulação da amostra por ter pegajosidade e
formar grumos durante a sua preparação, mesmo possuindo limite de liquidez
compatível com o da caulinita. Este comportamento compromete a sua trabalhabilidade
no laboratório e no campo. O material do Antigo Depósito tem uma trabalhabilidade um
pouco melhor do que a Jazida Empresa.
Pode-se obter variação do índice de vazios a partir da análise de corpos de prova
compactados, ou a partir do método simples de pluviação descrito por MARTINS &
OLIVEIRA FILHO (1988). A Tabela 5.8 apresenta valores de índice de vazios obtidos
a partir de diferentes condições de moldagem para os materiais granulares, Rejeito Fino
Peneirado e Areia utilizando a técnica de MARTINS & OLIVEIRA (1988). Nesta
tabela é possível observar os índices de vazios máximo e mínimo para estes materiais.
90
Tabela 5.8 – Estudo da variação do índice de vazios nas amostras arenosas coletadas.
Diâmetro do Funil (mm) Amostra Índice
Físico
Vibração
Mecânica
5,5 10 14 21 55
Sem
queda
ρ
s máx.
1,590 - 1,646 1,637 1,610 - 1,431
e 0,654 - 0,598 0,607 0,634 -
0,638
Areia
n 0,395 - 0,374 0,377 0,388 - 0,390
ρ
s máx
1,484 1,394 1,377 1,375 1,322 1,251 1,245
e 0,538 0,638 0,657 0,660 0,762 0,824
0,837
Rejeito
Fino
Peneirado
n 0,350 0,389 0,397 0,398 0,432 0,452 0,456
- Amostra não analisada; valor em negrito e
máx
e valor sublinhado e
mín
Com relação à Areia e ao Rejeito Fino Peneirado, observa-se uma pequena variação da
massa específica obtida pela pluviação com abertura de funil de 5,5, 10, 14 e 21. Os
valores de índice de vazios máximos foram obtidos na condição em que o material foi
colocado sem queda no cilindro enquanto que o mínimo foi determinado por vibração
mecânica para o Rejeito Fino Peneirado ou com o funil de menor abertura para a Areia.
5.3.6.
Permeabilidade saturada
A Tabela 5.9 apresenta o resultado dos ensaios de permeabilidade à carga variável para
a Jazida Empresa e Picollo, e constante para as demais amostras (Cinza Grossa, Cinza
Fina, Areia e Rejeito Fino Peneirado). Essa tabela apresenta ainda uma coluna que
indica os corpos de prova que foram aproveitados após o ensaio de permeabilidade para
se moldar os corpos de prova de 5,0 cm x 2,5 cm para o ensaio de curva de retenção
pelo método de Extrator do Richards.
Tabela 5.9 – Permeabilidade em diferentes teores de umidade de moldagem do corpo de prova.
Carga
Amostra
w (%) K (cm/s) e n Observação
12,64 2,76 x 10
-5
0,584 0,369 Anel SWCC = C – ER2
14,12 4,07 x 10
-6
0,485 0,327 Anel SWCC = A – ER1
16,22 2,59 x 10
-8
0,461 0,316 Anel SWCC = E – ER3
JE
w
ótm
=
14,2%
18,81 2,76 x 10
-7
0,562 0,360 -
25,19 2,74 x 10
-7
0,761 0,432 Anel SWCC = G – ER1
29,34 8,2 x 10
-8
0,877 0,467 Anel SWCC = I – ER2
29,74 1,12 x 10
-7
0,865 0,464 Anel SWCC = L – ER3
JP
w
ótm
=
25,8%
26,23 1,7 x 10
-8
0,768 0,434 -
CG* 42,00 2,45x10
-4
1,06 0,515 -
Variable
CF* 29,00 6,0 x 10
-5
0,77 0,435 -
- 1,43 x 10
-0
0,690 0,408 Vibração Mecânica
- 8,56 x 10
-1
0,702 0,412 Pluviação – Funil 10 mm
- 1,31 x 10
-0
0,713 0,416 Pluviação – Funil 14 mm
- 1,09 x 10
-0
0,725 0,420 Pluviação – Funil 21 mm
- 1,11 x 10
-0
0,903 0,475 Sem Queda
A
- 1,33 x 10
-0
0,780 0,438 Vibração Manual
1,13 x 10
-3
0,462 0,316 Vibração Mecânica
3,96 x 10
-3
0,679 0,404 Pluviação – Funil 10 mm
1,58 x 10
-3
0,679 0,404 Pluviação – Funil 21 mm
3,26 x 10
-3
0,793 0,442 Pluviação – Funil 55 mm
Constante
RFP
1,64 x 10
-3
0,879 0,468 Sem Queda
* - Ensaio realizado por UBALDO (2005) na umidade ótima do material
91
Para o estudo da permeabilidade saturada da Jazida Empresa e da Jazida Picollo, foram
moldados corpos de prova utilizando a compactação dinâmica, tentando reproduzir os
índices de vazios obtidos a partir da curva de compactação nos pontos de umidade
ótima, 2% acima e 2% abaixo. Os corpos de prova da Areia e do Rejeito Fino Peneirado
foram moldados por pluviação no cilindro de permeabilidade reproduzindo as
densidades máximas, mínimas e intermediárias obtidas no item 5.3.5. Os ensaios na
cinza tanto fina quanto grossa foram realizados por UBALDO (2005) em corpos de
prova moldados estaticamente reproduzindo os índices de vazios correspondentes à
umidade ótima e massa específica aparente máxima.
5.3.7.
Curva de retenção
Nesse trabalho a curva de retenção foi determinada pela técnica do Papel Filtro e do
Extrator de Richards. Os resultados foram agrupados da seguinte forma: a) ensaios com
os materiais moldados na cobertura existente acrescidos do Rejeito Fino Peneirado e da
Areia moldados em laboratório; b) ensaios Jazida Empresa; c) ensaios Jazida Picollo; d)
ensaios Cinza Grossa; e) ensaios Cinza Fina.
Os ensaios com Papel Filtro foram realizados com vários anéis (UBALDO, 2005) e com
um único anel conforme sugerido pela norma da ASTM D 5298/03 no Laboratório de
Geotecnia da COPPE/UFRJ. Os ensaios com Extrator de Richards, no caso dos solos,
tiveram as amostras moldadas e encaminhadas para EMBRAPA/CNPS para ensaio, à
medida que as cinzas foram moldadas e ensaiadas pela EMBRAPA/CNPS.
a) Campo
Na Figura 5.6 observam-se as curvas de retenção para as amostras moldadas no campo,
acrescidas do Rejeito Fino Peneirado e da Areia preparadas em laboratório. Neste
gráfico também foi colocado um eixo indicando um raio aproximado do poro
considerando o efeito da capilaridade conforme apresentado na Equação 3.3.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
Jazida Empresa
Antigo Depósito
Turfa
Areia
Rejeito Fino Peneirado
1E-3
1E-4 1E-5
1E-6
Raio do Poro (mm)
1E-1
1E-2
Figura 5.6 – Curvas de retenção dos materiais moldados no campo (Extrator de Richards),
acrescido da Areia e do Rejeito Fino Peneirado (Papel Filtro)
.
92
O ensaio para a obtenção da curva de retenção do Rejeito Fino Peneirado foi realizado
com vários anéis pela técnica do papel filtro. Já as amostras Jazida Empresa, Turfa e
Antigo Depósito foram determinadas pelo Extrator de Richards. A condição inicial de
saturação das amostras e a sucção limite de 1000 KPa, foram os fatores condicionantes
no ensaio com Extrator de Richards. O ajuste dos dados experimentais foi realizado
segundo a
proposição matemática de FREDLUND & XING (1994) utilizando o programa
SOILCOVER.
Observando-se o resultado na Figura 5.6, nota-se que para definir melhor a curva de
retenção da Jazida Empresa, Turfa e Antigo Depósito, esses ensaios deveriam atingir
sucções maiores. Os dados da curva da Areia aqui apresentados foram determinados por
UBALDO (2005) pela técnica do papel filtro que não é indicada para o nível de sucção
inicial para esta amostra, conforme pode ser observado. O Rejeito Fino Peneirado e a
Areia quando sujeitos a uma sucção de 10 KPa são os materiais que apresentam teor de
umidade volumétrica mais baixa. O Rejeito Fino Peneirado, e tal como a Areia, drena
rapidamente até a condição de aproximadamente 10 kPa, mas abaixo de 10 KPa ela seca
mais lentamente que a Areia, que neste patamar de sucção já atingiu valores
compatíveis com a umidade residual.
A Tabela 5.10 mostra uma síntese das condições de moldagem e parâmetros de ajuste
segundo a equação de FREDLUND & XING (1994) apresentada no item 3.3.2 para as
amostras coletadas no campo, e as amostras (Rejeito Fino Peneirado e Areia) preparadas
em laboratório.
Os parâmetros empíricos de ajuste (a, m e n) da proposição matemática de
FREDLUND & XING (1994) foram obtidos utilizando o programa SOILCOVER.
Tabela 5.10 – Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos utilizando a Equação de
FREDLUND & XING (1994) para os ensaios moldados no campo.
Ajuste Ensaio Gs e n
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
w
(%)
K
sat
(cm/s)
m
v
(1/kPa)
a n m
Jazida Empresa – ER 2,667 0,694 0,410 1,574 20,21 4x10
-5
4x10
-3
12,92
0,61
0,21
Antigo Depósito - ER 2,723 1,070 0,516 1,317 23,76 4x10
-5
4x10
-3
0,86
1,46
0,32
Turfa - ER 1,691 0,250 0,199 1,355 24,73 4x10
-3
4x10
-3
14,48
1,33
0,19
Areia - PF 2,630 0,757 0,431 1,497 29,22 1,43 1x10
-5
1,55
8,99
0,95
Rejeito Fino Peneirado -
PF
2,278 0,440 0,306 1,583 12,22 4x10
-3
4x10
-3
7,27
9,24
0,36
PF – Papel Filtro e ER – Extrator de Richards
b) Jazida Empresa
A Tabela 5.11 apresenta uma síntese das condições de moldagem e parâmetros de
ajuste, segundo a Equação de FREDLUND & XING (1994), para a Jazida Empresa. É
possível observar nessa tabela os diversos ensaios realizados para a Jazida Empresa
utilizando a técnica do Papel Filtro com um único anel e com vários anéis sob diferentes
condições de moldagem, bem como o ensaio com o Extrator de Richards. Os ensaios
com Extrator de Richards foram realizados em corpos de prova moldados após o
término do ensaio de permeabilidade saturado, conforme indicado na Tabela 5.9. Uma
observação importante é que os ensaios 1, 2, 3 e 4 foram realizados em duplicata, já os
demais foram ensaios singulares. Na Figura 5.7 são observadas as curvas de retenção
obtidas a partir dos ensaios realizados com papel filtro.
93
Tabela 5.11 – Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos utilizando a Equação de
FREDLUND & XING (1994) para a Jazida Empresa
Ajuste Ensaio G e n
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
w
(%)
K
sat
(cm/s)
m
v
(1/kPa)
a n m
PF 1 2,667 0,500 0,333 1,777 15,41 4,0x10
-6
1x10
-4
14031
1,27
2,00
PF 2 2,667 0,420 0,296 1,872 15,41 4,0x10
-6
4x10
-5
21780
1,71
2,25
PF 3 2,667 0,470 0,320 1,810 18,04 4,0x10
-6
4x10
-5
23902
1,76
3,29
PF 4 2,667 0,480 0,324 1,798 14,12 4,0x10
-6
4x10
-5
18347
0,55
5,23
PF 5 * 2,667 0,480 0,324 1,798 14,12 4,0x10
-6
4x10
-5
13088
0,46
2,91
PF 6 * 2,667 0,450 0,310 1,776 10,96 4,0x10
-6
4x10
-5
83665 0,69 8,78
PF7** 2,667 0,457 0,313 1,831 14,67 4,0x10
-6
1x10
-4
77611
0,34 4,70
ER-1 2,667 0,520 0,342 1,754 19,60 4,0x10
-6
3x10
-3
203,0
0,52 0,45
ER-2 2,667 0,620 0,383 1,643 18,12 2,8x10
-5
3x10
-3
2,79
0,48
0,43
ER-3 2,667 0,590 0,371 1,680 18,05 2,6x10
-8
3x10
-3
4,53
0,40
0,44
PF - Reunidos 51405
0,47
6,38
PF – Papel Filtro; ER – Extrator de Richards; * - Ensaio com vários anéis; ** - Ensaio na célula de
difusão
Os ensaios PF1, PF2 e PF3 apresentados na Figura 5.7 (a) têm curvas de retenção muito
semelhantes e foram moldados acima da umidade ótima. Já os ensaios PF4, PF5* e
PF6* moldados na condição abaixo da umidade ótima, Figura 5.7 (b) tem um
comportamento distinto, com teores de umidade inferiores para a mesma sucção,
conforme era esperado. O ensaio realizado na célula de difusão apresentou um
comportamento intermediário entre o ensaio com um anel e vários anéis para a Jazida
Empresa. Aparentemente, o ensaio na célula de difusão deveria ter um comportamento
igual ao ensaio com um anel (metodologia de secagem semelhante). Esse ensaio, por
apresentar maior massa específica aparente seca, sugere que tenha uma maior sucção
com relação ao teor de umidade obtido. Isto não ocorreu devido a uma maior
anisotropia da amostra em função do seu diâmetro maior.
As curvas obtidas pela técnica do papel filtro moldadas acima da umidade ótima
coincidem. Já as curvas abaixo da umidade ótima apresentam para a mesma sucção
teores de umidade inferiores ao que foi obtido com condição de moldagem de teor de
umidade acima da umidade ótima. Tal comportamento também foi descrito por
MACIEL (2003) e O’KANE et al. (2002). As curvas obtidas por O’KANE et al. (2002)
mostram ainda que para sucções elevadas correspondentes a umidade residual, as curvas
com diferentes condições de moldagem se encontram, tal como observado para a Jazida
Empresa. Em sistemas de cobertura, este solo quando compactados acima da umidade
ótima tende a reter uma maior quantidade de água para sucções até 2000KPa
dificultando a percolação de gases. Isso é diferente da condição moldada abaixo da
umidade ótima que tem valor entrada de ar em torno de 800 KPa. Os valores de sucção
correspondentes ao valor de entrada de ar da amostra Jazida Empresa estão compatíveis
com os valores apresentados por MACIEL (2003) para o material de cobertura do aterro
de resíduos sólidos de Muribeca/PE. Esse comportamento da curva de retenção acima
da úmida ótima aliado aos dados de permeabilidade saturada indicam a necessidade de
compactação desse material quando utilizado em cobertura nesta condição de forma a
reduzir o fluxo de ar e água.
94
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
PF2
PF3
PF4
1E-3 1E-4 1E-5 1E-6
Raio do Poro (mm)
1E-1 1E-2
(a)
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF5*
PF6*
PF7**
1E-3 1E-4 1E-5 1E-6
Raio do Poro (mm)
1E-1 1E-2
(b)
Figura 5.7 – Curvas de retenção da Jazida Empresa determinada pela técnica do papel filtro,
onde em (a) único anel e (b) vários anéis e ensaio de difusão (PF7**).
Na Figura 5.8 observa-se os ensaios realizados com o papel filtro com a técnica de
vários anéis PF5* e com anel único PF4 (em duplicata). O que se observa é que, até a
porção intermediária da curva, valores pouco significativos de desvio entre essas duas
técnicas são encontrados. Contudo, na porção final, referente à umidade residual, estes
resultados apresentam um desvio, onde o ensaio com vários anéis apresenta sucção mais
elevada para o mesmo teor de umidade do ensaio com um único anel. Isto deve ocorrer
devido à rápida secagem do material com vários anéis fazendo com que a amostra fique
muito seca na superfície e úmida no centro. No ensaio com um único anel isso é
diferente porque a secagem é progressiva, permitindo uma melhor distribuição da
umidade pelo corpo de prova.
95
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF4
PF5*
Reunidos
1E-3 1E-4 1E-5 1E-6
Raio do Poro (mm)
1E-1 1E-2
Figura 5.8 – Curvas de retenção da Jazida Empresa determinadas com a técnica do papel filtro
com um único anel (PF4) e com vários anéis (PF5).
A Figura 5.9 apresenta as curvas para os ensaios com o Extrator de Richards e com o
Papel filtro a título de comparação.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
ER1
ER2
ER3
1E-3 1E-4 1E-5 1E-6
Raio do Poro (mm)
1E-1 1E-2
Figura 5.9 – Curvas de retenção da Jazida Empresa determinadas pela técnica do papel filtro e
Extrator de Richards sob diferentes condições de moldagem.
O ensaio ER1 corresponde ao ponto na umidade ótima e ER2 e ER3, respectivamente,
2% abaixo e 2% acima da umidade ótima. Destaca-se que ER2 e ER3 têm
comportamento muito semelhante. O ensaio no Extrator de Richards apresenta
vantagens e desvantagens associadas ao ensaio de papel filtro. A vantagem é que define
bem o trecho inicial da curva, sendo possível obter valores baixos de sucção. Contudo, o
trecho final não pode ser definido devido ao limite de 1500 KPa do equipamento. Este
valor limite é baixo para esse material e dificulta a análise com relação ao
comportamento do solo quando sujeito a condição de teor de umidade baixa
.
O trecho
96
inicial de ER1 é semelhante a PF1, e ER2 e ER3 assemelham-se a PF4, mas a partir de
100 KPa o comportamento é bem distinto.
c) Jazida Picollo
A Tabela 5.12 apresenta uma síntese das condições de moldagem e parâmetros de
ajuste, segundo a Equação de FREDLUND & XING (1994), para a Jazida Picollo. É
possível observar nessa tabela os diversos ensaios realizados para a Jazida Picollo
utilizando a técnica do Papel Filtro com um único anel e com vários anéis sob diferentes
condições de moldagem, bem como o ensaio com o Extrator de Richards.
Tabela 5.12 – Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos utilizando a Equação de
FREDLUND & XING (1994) para a Jazida Picollo.
Ajuste Ensaio G e n
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
w
(%)
K
sat
(cm/s)
m
v
(1/kPa)
a n m
PF 1 2,581 0,830 0,454 1,409 25,09 1,8x10
-8
4,0 x10
-4
327,70
0,44
1,75
PF 2 2,581 0,800 0,444 1,433 25,09 1,8x10
-8
4,0x10
-4
425,29
0,47
1,72
PF 3 2,581 0,830 0,454 1,409 28,41 1,8x10
-8
4,0x10
-4
8089,5
0,42
4,58
PF 4 2,581 0,840 0,457 1,406 25,10 1,8x10
-8
4,0x10
-4
118,92
0,43
1,77
PF 5 * 2,581 0,770 0,435 1,411 24,84 1,8x10
-8
4,0x10
-4
23693
0,37
5,04
PF 6 * 2,581 0,830 0,453 1,411 22,43 1,8x10
-8
2,5x10
-4
32732 0,36 5,83
PF 7 ** 2,581 0,803 0,445 1,432 23,41 1,8x10
-8
4,0x10
-4
14067
0,34 4,70
ER - 1 2,581 0,825 0,452 1,383 23,83 2,7x10
-7
4,0x10
-4
0,87
0,58 0,33
ER - 2 2,581 0,912 0,477 1,359 27,16 8,0x10
-8
4,0x10
-4
0,63
0,94
0,23
ER - 3 2,581 0,974 0,494 1,307 30,21 1,1x10
-7
4,0x10
-4
0,73
0,60
0,38
PF – Papel Filtro; ER – Extrator de Richards; * - Ensaio com vários anéis; ** - Ensaio na célula
de difusão
Na Figura 5.10 observa-se os ensaios realizados com papel filtro, onde os ensaios PF1,
PF2, PF3 e PF4 foram realizados em duplicata com vários anéis. Já os demais foram
ensaios singulares. O que se observa na Tabela 5.12 é que os ensaios PF4 e PF1
apresentam condições de moldagem semelhantes (w e
ρ
s
)
, mas a curva é distinta
denotando a variabilidade do material.
Mas no comportamento geral, independente da condição de moldagem as curvas de
retenção obtidas no ensaio de papel filtro têm comportamento semelhante. A variação
do teor de umidade nas condições extremas foi de -3,4% e +2,6% com relação a
umidade ótima, já com relação a massa esecífica a variação máxima foi de +0,025
g/cm
3
. Até aproximadamente 100KPa este material pouco varia a sua umidade, contudo
acima deste valor o ar se torna interconectado e permite o fluxo de gás com maior
facilidade. A Jazida Picollo, diferente da Jazida Empresa, não apresentou grande
variação no comportamento da curva de retenção em função da variação das condições
de moldagem. A Jazida Picollo possui no valor de entrada de ar a sucção
aproximadamente uma ordem de grandeza inferior que a Jazida Picollo. Destaca-se
ainda que nos ensaios com poucos pontos no trecho inicial, os parâmetros a e m do
ajuste de FREDLUND e XING (1994) tendem a ter valores superestimados.
A Figura 5.11 descreve os ensaios com papel filtro com índice físico correspondente
com os índices físicos obtidos para os corpos de prova moldados e ensaiados com o
Extrator de Richards. Tal como com o papel filtro, as curvas obtidas no extrator de
Richards sob diferentes condições de moldagem não diferiram significativamente. Os
97
parâmetros a, m e n obtidos pela técnica do Extrator de Richards diferiram
significativamente dos valores pela técnica do papel filtro.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
PF2
PF3
PF4
1E-3 1E-4 1E-5 1E-61E-1
1E-2
Raio do Poro (mm)
(a)
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF5*
PF6*
PF7**
1E-3 1E-4 1E-5 1E-61E-1
1E-2
Raio do Poro (mm)
(b)
Figura 5.10 – Curvas de retenção da Jazida Picollo determinadas pela técnica do papel filtro
sob diferentes condições de moldagem, onde em (a) único anel e (b) vários anéis e ensaio de
difusão (PF7**).
O comportamento obtido acima de 100 KPa com o Extrator de Richards é distinto do
obtido com o papel filtro, refletindo uma estrutura diferente entre os ensaios. Essa
diferença na estrutura pode ter sido ocasionada pela técnica distinta de compactação
utilizada ou pela expansão do corpo de prova durante o ensaio de permeabilidade. Esta
distinção leva a uma mudança significativa no valor de entrada de ar e nos parâmetros a,
m e n quando se comparam os resultados com as diferentes técnicas. A Jazida Empresa
apresentou também comportamento de expansão durante o ensaio de permeabilidade
que afetou as condições de moldagem do corpo de prova a ser ensaiado, mas o
comportamento distinto entre os ensaios com papel filtro e Extrator de Richards
somente ocorreu acima de 1000KPa.
98
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
ER1
ER2
ER3
1E-3
1E-4
1E-5 1E-6
1E-1 1E-2
Raio do Poro (mm)
Figura 5.11
– Curvas de retenção da Jazida Picollo
determinadas pelas técnicas do papel
filtro (PF1) e Extrator de Richards sob diferentes condições de moldagem.
d) Cinza Grossa
A Tabela 5.13 apresenta uma síntese das condições de moldagem e parâmetros de ajuste
obtidos a partir do emprego da Equação de FREDLUND & XING (1994) para a Cinza
Grossa nos ensaios com papel filtro e com o extrator de Richards.
Os ensaios PF1, PF2, PF3, PF4 foram realizados com a amostra compactada
estaticamente, com um único anel e em duplicata. Ao passo que o ensaio PF5* foi
ensaiado em vários anéis em um ensaio singular. E o ensaio PF6** foi determinado na
célula de difusão pela técnica do papel filtro. A Figura 5.12 apresenta os dados
experimentais e os respectivos ajustes para os ensaios de PF1 até PF4 em diferentes
estados de compactação e umidade.
Tabela 5.13 – Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos utilizando a Equação de
FREDLUND & XING (1994) para a Cinza Grossa.
Ajuste Ensaio G e n
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
w
(%)
K
sat
(cm/s)
m
v
(1/kPa)
a n m
PF1 2,043 1,100 0,524 0,973 39,6 2,4x10
-4
6x10
-4
21,66
1,06
1,23
PF2 2,043 0,880 0,468 1,088 39,6 2,4x10
-4
6x10
-4
427,5
0,67
3,21
PF3 2,043 1,100 0,524 0,975 45,9 2,4x10
-4
6x10
-4
354,8
0,51
4,10
PF4 2,043 1,070 0,517 0,985 40,8 2,4x10
-4
6x10
-4
5,18
10,39
0,32
PF5* 2,043 1,060 0,515 0,990 40,8 2,4x10
-4
6x10
-4
101,1
0,69
3,10
PF6** 2,043 1,087 0,521 0,979 40,0 2,4x10
-4
6x10
-4
18,31
0,7
1,67
ER 2,043 1,070 0,517 0,986 31,0 2,4x10
-4
6x10
-4
158,4
0,41
3,24
PF - Reunidos 43,07
0,86
1,82
PF – Papel Filtro e ER – Extrator de Richards; * - Ensaio com vários anéis; ** Ensaio na célula de
difusão.
Os ensaios PF5* e ER foram realizados por UBALDO (2005), sendo o último feito em
duplicata. A curva de ajuste PF – Reunidas interpola os resultados de PF – 1 e PF – 5,
sendo esta ação somente possível porque os ensaios foram realizados em condições
semelhantes de umidade e massa específica aparente seca.
99
As curvas PF1 e PF4 estão em condições próximas à umidade ótima e massa específica
aparente seca conforme apresentado na Tabela 5.13, com boa repetibilidade entre as
duplicatas. O que se nota é que as curvas são paralelas, e que divergem no trecho final
provavelmente porque o ensaio PF4 deveria ter prosseguido para condições de umidade
inferiores. A curva referente ao ensaio PF2, moldado na condição de umidade ótima e
massa específica acima da obtida no ensaio de compactação, demonstra uma maior
capacidade de retenção de umidade. A característica do ensaio PF2 é muito similar à
obtida em PF3. O ensaio PF3 corresponde ao ponto de 6% acima da umidade ótima e
massa específica aparente seca semelhante à da massa específica aparente máxima
obtida no ensaio de compactação.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
PF2
PF3
PF4
1E-3
1E-4
1E-5
1E-61E-1 1E-2
Raio do Poro (mm)
Figura 5.12 – Curvas de retenção da Cinza Grossa determinadas pela técnica do papel filtro sob
diferentes condições de moldagem.
A Figura 5.13 mostra a reunião de ensaios moldados em condições em comum de teor
de umidade e massa específica aparente seca.
Comparando os ensaios com único anel PF1 e PF4 com o ensaio realizado por
UBALDO (2005) com vários anéis PF5*, observa-se que os valores de sucção no trecho
intermediário são muito semelhantes, diferindo o resultado principalmente no trecho
final provavelmente pela falta de um maior número de pontos experimentais neste
intervalo. A reunião destes ensaios dá um comportamento intermediário entre as curvas
PF1 e PF5*.
Nos ensaios com o papel filtroo valor de entrada de ar deste material é variável (4 a 9
KPa) em função da variabilidade das curvas obtidas mesmo quando moldados na
umidade ótima. Demonstrando que este material permite a entrada de ar com valores de
sucção baixos quando comparado com a Jazida Empresa e Picollo.
100
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
PF5*
ER
PF6**
1E-3
1E-4
1E-5
1E-61E-1 1E-2
Raio do Poro (mm)
Figura 5.13 – Curvas de retenção da Cinza Grossa determinada pela técnica do papel filtro com
anel único PF1 e PF4 e com vários anéis PF5*
A Figura 5.14 permite comparar o comportamento dos ensaios de papel filtro com o
ensaio no Extrator de Richards e na célula de difusão.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF1
PF4
PF5*
Reunidos
1E-3
1E-4
1E-5
1E-61E-1 1E-2
Raio do Poro (mm)
Figura 5.14 – Curvas de retenção da Cinza Grossa determinada pela técnica do papel filtro com
anel único PF1, e com vários anéis PF5*, Extrator de Richards ER e na célula de difusão PF6**.
O ensaio de papel filtro realizado na célula de difusão (PF6 **) teve um comportamento
muito semelhante ao ensaio PF1 no trecho final. O ensaio com o extrator de Richards
apresentou ótima repetibilidade entre si, mas o formato da curva ajustada pela equação
de FREDLUND & XING (1994) difere significativamente do resultado obtido pelo
papel filtro. O ensaio com Extrator de Richards para baixas sucções apresentou valor de
umidade mais baixo e, para altos valores de sucção, as umidades ficaram mais altas do
101
que no ensaio com o papel filtro. Este comportamento denota estruturas diferentes,
principalmente devido à metodologia empregada para a compactação na
EMBRAPA/CNPS.
Os ensaios realizados na célula de difusão, quando comparados com os realizados nos
anéis com características semelhantes de moldagem, mostraram uma sucção menor para
o mesmo teor de umidade em todos os três materiais estudados e apresentados
anteriormente. Isto indica uma aparente diferenciação na estrutura do corpo de prova
mesmo que compactado da mesma forma, ou seja, estaticamente, mas com relações
diâmetro/altura distintas.
e) Cinza Fina
Os dados apresentados a seguir foram determinados por UBALDO (2005) de duas
formas distintas: uma com o auxílio do extrator de Richards (ER) em duplicata e
analisados em conjunto, e outra com o método do papel filtro com vários anéis e anel
único. A Tabela 5.14 apresenta uma síntese das condições de moldagem e parâmetros
de ajuste segundo a Equação de FREDLUND & XING (1994) para a Cinza Fina nos
ensaios realizados com papel filtro e Extrator de Richards.
Tabela 5.14 – Condições de moldagem e parâmetros empíricos obtidos utilizando a Equação de
FREDLUND & XING (1994) para a Cinza Fina.
Ajuste Ensaio G e N
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
h
(%)
K
sat
(cm/s)
m
v
(1/kPa)
a n m
PF – Anel Único 2,092 0,773 0,436 1,180 27,7 6x10
-5
5x10
-4
9,80
3,34
0,54
PF – Vários Anéis 2,092 0,771 0,435 1,180 28,9 6x10
-5
5x10
-4
33,39
0,67
1,95
ER 2,092 0,777 0,437 1,176 20,2 6x10
-5
5x10
-4
127,09
2,38
0,57
PF - Reunido 11,96
0,94
1,14
A Figura 5.15 mostra a reunião de ensaios realizados em condições semelhantes de teor
de umidade e massa específica aparente seca, segundo a metodologia do papel filtro. Já
a a Figura 5.16 permite comparar o comportamento dos ensaios de papel filtro com o
ensaio no Extrator de Richards.
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF - Único Anel
PF - Varios Anéis
ER
1E-3 1E-5 1E-61E-1 1E-2
Raio do Poro (mm)
1E-4
Raio do Poro (mm)
Figura 5.15 – Curvas de retenção da Cinza Fina determinadas pela técnica do papel filtro com
único anel e vários anéis.
102
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
PF - Único Anel
PF - Varios Anéis
Reunido
1E-3 1E-4 1E-5
1E-6
1E-21E-1
Raio do Poro (mm)
Figura 5.16 – Curvas de retenção da Cinza Fina determinadas pela técnica do papel filtro, com
anel único e com vários anéis, e pelo Extrator de Richards.
A Cinza Fina é de difícil manipulação, isto provocou uma dispersão dos pontos
experimentais realizados em duplicata, mas este ensaio definiu bem o valor de entrada
de ar. O ensaio com vários anéis apresenta pontos experimentais com a mesma
tendência do ensaio com anel único na porção intermediária da curva. Mas a ausência
de pontos na porção inicial do ensaio com vários anéis e no trecho final com anel único
provocou uma diferença na curva que deveria ser estudada novamente. Mas, se os dois
ensaios forem reunidos, PF – Anel Único e PF – Vários Anéis, o ajuste fica mais
próximo do ensaio que foi realizado com vários anéis, conforme apresentado na Figura
5.15. Os resultados com a técnica do papel filtro mostraram uma variabilidade do valor
de entrada de ar de 4 a 6 KPa.
A umidade final dos ensaios foi alta, o que indica que o ensaio deveria prosseguir com
pelo menos dois pontos com umidade inferior a 10% para obter uma interpolação
melhor da curva. Aparentemente a cinza expandiu durante a saturação no ensaio
realizado com o Extrator de Richards porque as umidades volumétricas referentes às
sucções de 6,6, 10 e 33 kPa são superiores à porosidade total do material moldado.
A Figura 5.17 apresenta os resultados obtidos a partir da correlação proposta por
MARINHO (1994a) para determinação da sucção em solos que apresentam plasticidade
e compactados estaticamente, conforme apresentado no item 3.3.2. Não foi possível
aplicar a correlação para a Cinza Grossa e a Cinza Fina por não apresentarem limites de
Atterberg.
Nessa figura a linha contínua representa o ajuste linear dos dados experimentais e a
linha pontilhada representa o ajuste utilizando os valores obtidos por MARINHO
(1994a). O que se observa é que o ajuste com os valores propostos por MARINHO
(1994a) apresentam boa correlação com os dados experimentais somente acima de 500
KPa, desviando significativamente em sucções com valores inferiores.
103
y = -0.2125Ln(x) + 3.1138
R
2
= 0.7175
0
1
2
3
4
5
1 10 100 1000 10000 100000
Sucção Mátrica (KPa)
w/C
(a)
y = -0.2767Ln(x) + 3.68
R
2
= 0.8635
0
1
2
3
4
5
1 10 100 1000 10000 100000
Sucção Mátrica (KPa)
w/C
(b)
y = -0.2527Ln(x) + 3.4784
R
2
= 0.809
0
1
2
3
4
5
1 10 100 1000 10000 100000
Sucção Mátrica (KPa)
w/C
Jazida Empresa
Jazida Picollo
(c)
Figura 5.17 – Gráficos de umidade gravimétrica normalizada pela capacidade de sucção
versus
sucção, onde: a) Jazida Empresa; b) Jazida Picollo e c) para os dois solos reunidos.
A Tabela 5.15 apresenta os valores de ajuste linear (w/C = a – b*log(sucção)) obtidos
para a Jazida Empresa e Jazida Picollo. Os valores experimentais utilizados nesta
análise foram os obtidos a partir da técnica do papel filtro. Essa tabela apresenta ainda
os valores determinados por MARINHO (1994a) a título de comparação.
Tabela 5.15 – Ajuste linear da umidade gravimétrica normalizada pela capacidade de sucção
versus
sucção para os materiais estudados e segundo MARINHO (1994a).
104
Materiais estudados Ajuste
Jazida Empresa Jazida Picollo Solos Reunidos Marinho (1994a)
a 3,1138 3,6800 3,4784 4,9700
b -0,2125 -0,2767 -0,2527 0,9700
R
2
0,7175 0,8636 0,8090 -
Uma forma de analisar se dois materiais (um fino e outro granular) sobrepostos
apresentam as características desejadas para um bom funcionamento como barreira
capilar é através das curvas de permeabilidade não saturada.
Outra forma seria a partir da proposição de O’KANE et al. (2002) quanto ao uso da
curva de retenção para esta avaliação. Esse autor afirma que quando o valor de entrada
de ar do material granular é menor do que o valor de entrada de ar do material argiloso,
no contato entre estes materiais se forma uma descontinuidade hidráulica característica
da barreira capilar. UBALDO (2005) discute e observa mais detalhadamente esta
correlação e conclui que a afirmativa de O’KANE et al. (2002) é válida para os
materiais estudados.
Observando a afirmativa de O’KANE et al. (2002) com relação ao uso dos diferentes
materiais apresentados e o comportamento deles em barreira capilar, observa-se em
ordem de seqüência do material com maior valor de entrada de ar para o de menor:
Jazida Empresa > Jazida Picollo > Turfa > Cinza Fina ~ Cinza Grossa ~ Rejeito Fino
Peneirado > Areia.
De acordo com os resultados obtidos, supõe-se que, durante a gestão da disposição dos
rejeitos, o Rejeito Fino Peneirado deve ser disposto no topo do depósito antecedendo a
colocação da argila compactada. Essa combinação permitirá a formação de uma
descontinuidade hidráulica que evitará que a argila perca umidade para o rejeito
formando a barreira capilar.
Caso se que opte em utilizar um modelo de barreira capilar dupla como alternativa de
cobertura para o depósito de rejeitos, na base pode-se construir uma barreira capilar com
o Rejeito Fino Peneirado em contato com a argila e, sobre ela, a Cinza Grossa ou a
Areia. Não se recomenda o uso da Cinza Fina como elemento da camada capilar, pois
essa apresenta valor de entrada de ar muito semelhante ao da Jazida Picollo, e nem a
Turfa devido às características de expansão que vetam a sua utilização como barreira
capilar.
A Tabela 5.16 sugere os seguintes usos para os materiais estudados como componente
de barreira, conforme apresentado no item 2.6.
Tabela 5.16 – Indicação da aplicação dos materiais estudados como componentes de cobertura.
Materiais Estudados
Componente da Barreira
JE JP T A RFP CG CF
Camada superficial X X
Camada proteção X
Camada de drenagem capilar topo
X X
Camada de drenagem capilar base
X X X
Camada barreira X X
Destaca-se que a amostra Jazida Empresa apresentou comportamento de contração
durante o ensaio de papel filtro, ou seja, durante a secagem, já no terceiro ponto, a
105
amostra soltava do anel onde tinha sido moldada. O elevado teor de finos do solo
estudado recomenda cuidados quanto a sua utilização. Por se tratar do material
disponível na região e os valores de limite de liquidez e permeabilidade saturada
estarem dentro dos valores preconizados na literatura quanto ao uso em sistema de
barreira, este material pode ser utilizado nesta função.
5.3.8.
Adensamento
Os ensaios foram realizados com os corpos de prova compactados estaticamente e
embebidos em seis estágios de carregamento (3,125, 6,25; 12,5; 25; 50; 100 e 200 KPa)
e dois estágios de descarregamento (100 e 50 KPa). A embebição ocorreu após o
primeiro estágio de carregamento. Foram no total 12 ensaios, sendo quatro para a Jazida
Empresa, quatro para a Jazida Picollo e quatro para a Cinza Grossa, variando a umidade
e a massa especifica aparente seca. A Tabela 5.17 apresenta os índices físicos após a
moldagem do corpo de prova e no término do ensaio de adensamento para os materiais
estudados.
Tabela 5.17 – Características geotécnicas dos corpos de prova na moldagem e após o ensaio de
adensamento.
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
Amostra
Antes depois
e
0
e
f
w
0
(%)
w
f
(%)
S
0
(%) S
f
(%)
Jazida Empresa 1 1,875
1,941
0,42
0,37
15,1
14,0
95,2
100,0
2 1,813
1,873
0,47
0,42
15,1
15,9
85,5
100,0
3 1,799
1,864
0,48
0,43
18,1
16,0
100,0
100,0
4 1,709
1,813
0,56
0,47
18,1
17,7
86,1
97,1
Jazida Picollo 1 1,404
1,491
0,84
0,73
25,4
28,3
78,2
100,0
2 1,441
1,501
0,79
0,72
25,4
27,9
82,9
100,0
3 1,401
1,482
0,84
0,74
30,0
28,7
92,0
100,0
4 1,377
1,466
0,87
0,76
30,0
29,4
88,1
100,0
Cinza Grossa 1 0,976
1,016
1,09
1,01
39,5
49,4
73,4
100,0
2 1,085
1,112
0,88
0,84
39,5
41,0
91,5
100,0
3 0,947
0,944
1,16
1,06
45,9
51,7
81,03
100,0
4 0,976
1,008
1,09
1,03
45,9
50,2
85,7
100,0
As Figuras 5.18, 5.19 e 5.20 mostram as curvas de índice de vazios versus tensão
vertical obtidas para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa, respectivamente.
Nessas figuras observa-se a curva de índice de vazios versus tensão vertical
representada com linha contínua que não considera a deformação da prensa e a curva
com linha pontilhada que considera a deformação da prensa. Considerar ou não a
deformação da prensa não altera significativamente o resultado. Cada ensaio é
representado por uma cor e com a condição inicial de moldagem do corpo de prova.
As Tabelas 5.18, 5.19 e 5.20 apresentam o coeficiente de compressibilidade (a
v
),
coeficiente de adensamento (c
v
), grau de saturação (S), índice de vazios (e) e coeficiente
de variação volumétrica (m
v
) para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa
respectivamente.
106
0.300
0.350
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
1 10 100 1000
Tensão Vertical (KPa)
Ìndice de vazios
1
2
3
4
γ
s
= 1,799
h = 18,1%
S =100%
γ
s
= 1,875
h = 15,1%
S=95%
γ
s
= 1,813
h = 15,1 %
S =85%
γ
s
= 1,709
h = 18,1%
S = 86%
Figura 5.18 – Curvas de índice de vazios
versus
tensão vertical obtidas dos ensaios de
adensamento na Jazida Empresa.
Tabela 5.18 – Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação volumétrica
obtidos para a Jazida Empresa nos quatro ensaios executados.
Amostra
σ
σσ
σ
v
(KPa)
a
v
(m
2
/KN)
c
v
(cm
2
/s)
m
v
(1/KPa)
S
(%)
e K (cm/s)
6,25 3,2x10
-4
0,43 2,2x10
-4
95,3 0,410 4,7x10
-6
12,5 8,1x10
-5
0,53 1,1x10
-4
95,5 0,409 3,0x10
-6
25 1,6x10
-4
1,26 1,7x10
-4
96,3 0,406 7,2x10
-6
50 1,4x10
-4
1,99 2,6x10
-4
98,1 0,397 2,8x10
-6
100 8,2x10
-5
2,60 1,3x10
-4
100,0 0,388 7,8x10
-6
Jazida Empresa
1
200 5,1x10
-5
4,81 1,0x10
-4
100,0 0,374 3,5x10
-6
6,25 3,1x10
-4
0,80 2,1x10
-4
89,6 0,479 8,3x10
-6
12,5 3,1x10
-4
0,96 4,3x10
-4
90,4 0,475 9,8x10
-6
25 2,3x10
-4
1,01 3,3x10
-4
91,6 0,469 7,7x10
-6
50 1,5x10
-4
1,64 2,7x10
-4
93,5 0,459 4,0x10
-6
100 1,2x10
-4
1,78 1,8x10
-4
96,3 0,446 5,8x10
-6
Jazida Empresa
2
200 7,7x10
-5
1,20 1,2x10
-4
100,0 0,428 1,6x10
-6
6,25 3,3x10
-4
1,84 2,2x10
-4
100,0 0,482 8,3x10
-6
12,5 1,6x10
-4
2,87 2,2x10
-4
100,0 0,480 9,8x10
-6
25 1,7x10
-4
2,74 2,2x10
-4
100,0 0,476 7,7x10
-6
50 1,4x10
-4
2,59 2,2x10
-4
100,0 0,468 4,0x10
-6
100 1,3x10
-4
2,76 1,9x10
-4
100,0 0,454 5,8x10
-6
Jazida Empresa
3
200 7,7x10
-4
3,05 1,4x10
-4
100,0 0,434 1,6x10
-6
6,25 1,6x10
-4
2,45 1,0 x10
-4
86,1 0,558 2,5x10
-5
12,5 1,6x10
-4
1,29 2,1x10
-4
86,4 0,556 6,5x10
-6
25 4,7x10
-4
0,57 5,7x10
-4
88,0 0,545 5,7x10
-6
50 2,6x10
-4
0,35 3,6x10
-4
90,5 0,531 2,2x10
-6
100 1,8x10
-4
1,58 2,4x10
-4
93,9 0,513 8,2x10
-6
Jazida Empresa
4
200 1,5x10
-4
1,16 2,2x10
-4
100,0 0,479 3,1x10
-6
107
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
1 10 100 1000
Tensão Vertical (KPa)
Ìndice de vazios
2
1
3
4
γ
s
= 1,401
h = 30,0%
S = 92%
γ
s
= 1,405
h = 25,4%
S = 78%
γ
s
= 1,441
h = 25,4%
S = 83%
γ
s
= 1,376
h = 30,0%
S = 89%
Figura 5.19 – Curvas de índice de vazios
versus
tensão vertical obtidas dos ensaios de
adensamento na Jazida Picollo, com a indicação da condição inicial de moldagem.
Tabela 5.19 – Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação volumétrica
obtidos para a Jazida Picollo nos quatro ensaios executados.
Amostra
σ
σσ
σ
v
(KPa)
a
v
(m
2
/KN)
c
v
(cm
2
/s)
m
v
(1/KPa)
S
(%)
e K
(cm/s)
6,25 3,2x10
-4
0,64 2,2x10
-4
78,3 0,839 5,4x10
-6
12,5 4,8x10
-4
1,07 5,2x10
-4
78,7 0,833 9,2x10
-6
25 4,0x10
-4
1,28 4,8x10
-4
79,7 0,822 8,1x10
-6
50 3,2x10
-4
1,25 3,1x10
-4
81,4 0,808 1,2x10
-5
100 2,1x10
-4
2,51 2,9x10
-4
100,0 0,782 9,6x10
-6
Jazida Picollo
1
200 1,9x10
-4
2,60 1,8x10
-4
100,0 0,750 1,4x10
-6
6,25 3,2x10
-4
1,00 1,8x10
-4
82,9 0,794 2,9x10
-6
12,5 3,2x10
-4
0,65 2,7x10
-4
83,2 0,791 1,5x10
-5
25 4,4x10
-4
1,25 4,0x10
-4
84,0 0,782 8,8x10
-6
50 3,4x10
-4
1,77 2,9x10
-4
85,4 0,769 1,0x10
-5
100 2,2x10
-4
1,73 2,5x10
-4
100,0 0,747 2,8x10
-6
Jazida Picollo
2
200 1,5x10
-4
1,66 1,0x10
-4
100,0 0,729 8,4x10
-6
6,25 1,7x10
-4
0,32 1,0x10
-4
92,0 0,839 8,6x10
-6
12,5 3,2x10
-4
1,67 2,6x10
-4
92,3 0,836 5,5x10
-6
25 3,2x10
-3
1,97 4,8x10
-4
93,3 0,825 8,1x10
-6
50 2,4x10
-4
2,28 3,9x10
-4
95,2 0,807 7,7x10
-6
100 1,6x10
-4
2,51 2,4x10
-4
100,0 0,785 8,6x10
-6
Jazida Picollo
3
200 1,1x10
-4
3,28 1,6x10
-4
100,0 0,757 7,2x10
-6
6,25 1,7x10
-4
0,70 1,0x10
-4
88,5 0,871 -
12,5 4,9x10
-4
0,56 4,3x10
-4
89,0 0,866 4,8x10
-6
25 4,8x10
-4
1,03 4,3x10
-4
90,2 0,856 1,3x10
-6
50 3,8x10
-4
0,89 4,1x10
-4
92,1 0,837 7,6x10
-6
100 2,3x10
-4
1,19 2,7x10
-4
94,9 0,812 5,8x10
-6
Jazida Picollo
4
200 1,9x10
-4
0,50 1,9x10
-4
99,4 0,778 2,5x10
-6
108
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1 10 100 1000
Tensão Vertical (KPa)
Ìndice de vazios
1
2
3
4
γ
s
= 0,947
h = 45,9%
S = 84%
γ
s
= 0,976
h = 39,5%
S = 96%
γ
s
= 1,085
h = 39,5%
S = 77%
γ
s
= 0,976
h = 45,9%
S = 86%
Figura 5.20 – Curva de índice de vazios
versus
tensão vertical obtidas dos ensaios de
adensamento na Cinza Grossa, com a indicação da condição inicial de moldagem.
Tabela 5.20 – Coeficientes de compressibilidade, de adensamento e variação volumétrica
obtidos para a Cinza Grossa nos quatro ensaios executados.
Amostra
σ
σσ
σ
v
(KPa)
a
v
(m
2
/KN)
c
v
(cm
2
/s)
m
v
(1/KPa)
S
(%)
e K
(cm/s)
6,25 3,2x10
-4
0,77 1,5x10
-4
94,2 1,087 1,2x10
-5
12,5 3,2x10
-5
2,29 4,6x10
-4
94,6 1,081 8,6x10
-6
25 3,2x10
-4
2,27 3,1x10
-4
95,2 1,073 8,6x10
-6
50 2,0x10
-5
2,24 2,7x10
-4
96,3 1,059 4,3x10
-6
100 1,6x10
-5
2,78 1,3x10
-4
97,7 1,046 9,3x10
-6
Cinza Grossa
1
200 1,2x10
-5
2,71 1,6x10
-4
100 1,014 2,6x10
-6
6,25 1,6x10
-3
1,28 8,5x10
-4
95,8 0,880 1,1x10
-5
12,5 2,4x10
-4
1,27 2,6x10
-4
96,1 0,877 1,1x10
-5
25 2,0x10
-4
1,83 2,1x10
-4
96,5 0,872 3,8x10
-6
50 1,4x10
-4
1,84 1,9x10
-4
97,3 0,863 1,9x10
-6
100 1,0x10
-4
2,78 1,3x10
-4
98,6 0,851 1,5x10
-6
Cinza Grossa
2
200 5,5x10
-5
3,15 6,5x10
-4
100 0,839 1,7x10
-6
6,25 1,8x10
-3
1,28 8,3x10
-4
93,5 1,154 9,3x10
-6
12,5 9,5x10
-4
1,51 3,0x10
-4
93,8 1,150 1,1x10
-5
25 8,7x10
-3
2,23 7,4x10
-4
94,5 1,130 6,1x10
-5
50 4,2x10
-4
2,00 3,0x10
-4
96,1 1,114 5,5x10
-6
100 2,5x10
-4
2,15 1,8x10
-4
97,7 1,095 9,9x10
-7
Cinza Grossa
3
200 1,8x10
-3
0,82 1,1x10
-4
100 1,072 1,9x10
-6
6,25 6,4x10
-4
1,25 3,0x10
-4
95,6 1,075 1,9x10
-5
12,5 4,8x10
-4
1,25 6,9x10
-4
96,2 1,066 -
25 1,6x10
-4
0,45 1,5x10
-4
96,9 1,062 2,6x10
-6
50 1,2x10
-4
1,23 1,6x10
-4
97,4 1,054 1,2x10
-6
100 9,0x10
-5
1,61 9,7x10
-5
98,4 1,044 7,7x10
-7
Cinza Grossa
4
200 7,5x10
-5
1,31 7,3x10
-5
100,0 1,029 9,5x10
-7
109
Os valores de c
v
somente devem ser levados em consideração para os estágios em que o
grau de saturação ultrapasse 95%, de forma a não se afastar da hipótese de solo saturado
na qual a teoria do adensamento se baseia. Para o cálculo do c
v
foi utilizado o método de
TAYLOR (1949). A determinação do t
90
mostrou-se difícil porque logo no primeiro
minuto a maior parte da deformação ocorria.
Observa-se que o m
v
obtido pouco variou para os materiais estudados apresentando
valores da ordem de grandeza de 10
-4
KPa
-1
.
5.4. Resultados dos ensaios físico-químicos
Os ensaios de caracterização físico-química foram realizados no Laboratório de
Geotecnia da COPPE-UFRJ, na EMBRAPA/CNPS e no CETEM, procurando
caracterizar esse comportamento nos diferentes materiais coletados.
5.4.1.
pH, CE, C, N, H e TMO
Tanto a determinação do pH e da condutividade elétrica (CE), quanto o teor de matéria
orgânica foram analisados segundo a metodologia da EMBRAPA/CNPS (1997) e os
resultados estão listados na Tabela 5.21.
Tabela 5.21 – Valores de pH, condutividade elétrica (CE) e teor de matéria orgânica (TMO)
para os diferentes materiais ensaiados.
Amostra pH H
2
O pH KCl
∆
∆∆
∆
pH
CE (mS)
TMO
(g/Kg)
Jazida Empresa – JE 2,88 2,98 + 0,10 1,634 10,2
Jazida Picollo – JP 4,03 3,88 - 0,15 0,323 50,2
Antigo Depósito – AD 3,26 3,11 - 0,15 0,351 6,6
Turfa – T 3,30 2,75 - 0,55 1,210 390,3
Rejeito Grosso – RG 2,07 1,80 - 0,27 7,50 303,0
*
Rejeito Fino Peneirado- RFP 6,60 6,53 - 0,07 1,500 147,5
Rejeito Fino Decantado – RFD
7,60 7,10 - 0,50 2,20 331,4
Cinza Fina – CF 12,30 12,50 - 0,20 3,15 10,3
*
Cinza Grossa - CG 7,90 8,33 + 0,43 0,489 20,9
*
* - analisado na COPPE pelo método da Embrapa
O pH dos solos e da Turfa estudados é ácido. Com relação ao ∆pH pode-se afirmar que,
na maioria dos solos, está próximo à neutralidade, excluído a Turfa. O valor negativo
deste índice nos solos indica a presença de argilas do tipo 1:1. O elevado valor negativo
deste índice na Turfa ocorre devido ao teor de matéria orgânica presente neste tipo de
material. O ∆pH positivo da Jazida Empresa indica a provável presença de
argilomineral 2:1. Com relação à condutividade elétrica dos solos, pode-se afirmar que é
baixa. A JE e o AD podem ser classificados a partir da observação do TMO como solos
inorgânicos, enquanto que a JP pode ser enquadrada como um solo pouco orgânico.
A CG e a CF são alcalinas, já o RG, o RFP e o RFD são ácidos. O pH alcalino obtido
para o RFD dá-se em função da adição de material alcalino na lagoa de decantação para
neutralização da acidez. O ∆pH é negativo para a maioria dos materiais. Somente a CG
110
apresentou valor positivo, provavelmente devido à presença de carbonatos. A
condutividade elétrica da Cinza Fina e do Rejeito Grosso é mais elevada em relação aos
demais resíduos. Com relação ao teor de matéria orgânica pode-se observar que na cinza
a combustão não foi total, restando de 1 a 2%. Já nos resíduos ainda persiste TMO
aproximado de 33% no Rejeito Fino Decantado, 30% no Rejeito Grosso e 15% no
Rejeito Fino Peneirado indicando que a empresa deve rever o processo de
beneficiamento para aumentar a recuperação. A Jazida Picollo apresenta um teor de
matéria orgânica mais elevado quando comparado com a Jazida Empresa e Antigo
Depósito.
A Tabela 5.22 apresenta os resultados do analisador elementar e o carbono orgânico
pela técnica do dicromato, bem como a relação C:N para os solos, e para a Cinza Grossa
e Rejeito Fino Peneirado.
Tabela 5.22 – Teores de carbono total, carbono orgânico, nitrogênio e hidrogênio elementar,
acrescida da relação C:N.
Amostra C Orgânico
C Total
Hidrogênio
Total
Nitrogênio
Total
C:N
Jazida Empresa 5,9 7,1 4,5 1,0
5,9
Jazida Picollo 29,1 40,7 12,6 2,7
10,8
Antigo Depósito 3,8 5,7 7,6 0,5
7,6
Turfa 226,4 291,1 33,7 10,0
22,6
Rejeito Fino Peneirado 85,5 223.4 21,3 4,3
19,9
Cinza Grossa 20,9 27,4 1,0 1,2
17,4
* - Resultados em g/Kg
A proporção C/N nos 45 cm iniciais do solo oscila entre 8:1 a 15:1, onde este valor
pouco varia em uma determinada região porque eles associam-se à temperatura,
precipitação, disponibilidade do C e N. Esta relação tende a ser baixa em regiões áridas
e com elevada temperatura bem como nos horizontes mais profundos. Valor este
compatível para a Jazida Picollo.
Em geral, uma baixa relação C/N pode ser associada à falta de carbono facilmente
oxidável, o que resulta em uma baixa atividade microbiológica no solo. Neste caso a
relação C/N atinge valores da ordem de 4:1 a 9:1 que corresponde à relação dos tecidos
microbianos. Um fator importante que deve ser considerado é quanto maior o percentual
de argila, mais difícil é a decomposição do carbono por parte do solo, porque esta fica
ligada quimicamente aos argilominerais, tornando difícil o solo igualar os valores de
C:N dos tecidos microbianos. Tanto o Antigo Depósito como a Jazida Empresa
apresentam uma relação baixa de C:N, demonstrando a falta de C oxidável, indicando a
dificuldade de decomposição do carbono e consequentemente uma atividade
microbiológica baixa.
Relações C:N inferiores a 12 indicam uma mineralização do húmus, ao passo que no
intervalo entre 17:1 a 12 :1 ocorre a humificação, ou seja, a fixação do nitrogênio.
Valores superiores a 17:1 indicam que a matéria orgânica não está estabilizada,
ocorrendo desse modo uma intensa atividade microbiológica com o objetivo de
mineralizar o C e o N presentes, sendo este o caso das amostras do Rejeito Fino
Peneirado, Turfa e Cinza Grossa. Os valores obtidos de C:N na Turfa são os esperados
para este tipo de material. Com relação à Cinza Grossa, a relação C:N favorece a
atividade microbiana e a sua decomposição devido à granulometria mais grossa,
111
permitindo a sua incorporação ao solo como elemento fertilizante por conter também
micronutrientes essenciais às plantas além da matéria orgânica.
RHODEN et al. (2006) apresentam a relação C:N para quinze solos de várzea no Rio
Grande do Sul e obtêm uma relação média de 7,5 ± 2,4, valor este correlacionável com
os dados obtidos para a Jazida Empresa e o Antigo Depósito que também são solos de
várzea. A Jazida Picollo apresenta relação correspondente à humificação do solo,
denotando, assim, que a matéria orgânica está disponível e que provavelmente a
atividade microbiológica é mais intensa.
5.4.2.
CTC e ataque sulfúrico
Na Tabela 5.23 são apresentados os resultados de cátions trocáveis obtidos para o solo e
Rejeito Fino Peneirado e Decantado.
Tabela 5.23 – Resultado da análise dos cátions trocáveis dos solos coletados e dos rejeitos finos
decantados e peneirados.
Al Ca Mg Na K H+Al P S T V Amostra
pH
H
2
O
mmol
c
/dm
3
mg/dm
3
mmol
c
/dm
3
mg/dm
3
mmol
c
/dm
3
(%)
JE
2,9 93 22 36 44 8 160 1,4 60 220 27
JP
3,9 36 0 09 12 31 134 2,9 10 144 7
AD
3,2 114 0 07 7 23 181 0,7 08 189 4
T
3,4 16 120 39 53 86 449 15,7 164 612 27
RFP
6,6 0 206 15 150 86 0 7,1 230 230 100
RFD
7,5 0 102 08 189 164
0 28,6 122 122 100
Com relação aos cátions trocáveis, observa-se que o alumínio é o mais abundante nos
solos. Destaca-se ainda que o íon cálcio encontra-se ausente (exceto JE) e que o
magnésio, sódio e potássio são os cátions mais abundantes. Dos solos, aquele que
apresenta maior capacidade de troca catiônica é o JE, seguido pelo AD e JP. O valor da
CTC do solo JP está compatível com o que é esperado para um solo composto
predominamente por caulinita. Mas JE e AD apresentam valores mais elevados do que o
esperado para um solo caulínico, indicando a presença de argilomineral 2:1 em pequena
proporção, principalmente para JE. Os baixos valores V da JP e AD indicam a elevada
disponibilidade de hidrogênio e alumínio nestes solos.
A Turfa tem uma CTC baixa quando comparada à outras turfas, provavelmente porque a
matéria orgânica ainda esteja sendo mineralizada. Um ânion que se destaca na Turfa e
nos rejeitos é o fósforo, que favorece o desenvolvimento das plantas e a atividade
microbiológica. O cátion trocável mais abundante da Turfa é o cálcio seguido do sódio,
potássio, magnésio e alumínio. Contudo, esse material apresenta elevado teor de
hidrogênio (explicando o seu pH ácido).
Nos Rejeitos Fino Peneirado e Decantado, observa-se que a soma de bases é igual aos
cátions trocáveis, não apresentando como cátion trocável o alumínio nem hidrogênio.
Além do fosfato já citado, esses rejeitos possuem valores significativos de cálcio, sódio
e potássio.
O ensaio de ataque sulfúrico foi realizado na EMBRAPA/CNPS segundo a metodologia
desenvolvida por esta instituição em 1997 e os resultados obtidos encontram-se listados
112
na Tabela 5.24, onde Ki é o índice que mostra a relação SiO
2
/ Al
2
O
3
e indica o grau de
lixiviação do solo.
Quando Ki = 1,96 indica que essa relação é semelhante ao do mineral caulinita e,
quando os valores são superiores, indicam solos menos lixiviados com presença de
argilomineral 2:1. O termo Kr demonstra a relação SiO
2
/ (Al
2
O
3
+ Fe
2
O
3
) e indica
quando o solo é oxídico (Kr ≤ 0,75) ou caulínico (Kr> 0,75).
Tabela 5.24 – Resultado do ataque sulfúrico dos solos coletados e dos rejeitos (g/kg).
Amostra SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
TiO
2
P
2
O
5
MnO Ki Kr Al
2
O
3
/
Fe
2
O
3
JE
70,0 37,0 47,0 13,2 0,2 0,1 3,22 1,78 1,24
JP
105,0 61,0 38,0 14,2 0,4 0,1 2,93 2,11 2,52
AD
64,0 63,0 101,0 14,0 0,4 0,1 1,73 0,85 0,98
T
170,0 2,0 9,0 1,0 0,7 0,1 - - -
RFP
101,0 90,0 11,0 3,4 0,3 0,4 1,91 1,77 12,85
RFD
76,0 150,0 18,0 5,2 0,5 0,3 0,86 0,80 13,08
Todos os materiais estudados apresentam Kr correspondente aos solos caulínicos, com
destaque para o AD. Quanto ao Ki, podem ser enquadrados como solos pouco
lixiviados.
5.4.3.
Fluorescência de raios-X e teor de enxofre
A Tabela 5.25 apresenta os resultados da Fluorescência de raios X e teores de enxofre
dos diferentes solos e rejeitos.
Os solos estudados apresentam uma relação SiO
2
/Al
2
O
3
variando de 7:1 até 13:1, com
percentuais consideráveis de óxido de ferro e titânio e subordinadamente de óxido de
sódio e magnésio. A elevada relação de SiO
2
/Al
2
O
3
indica elevado percentual de
quartzo presente nas amostras. Não foi detectado enxofre nos solos.
A Turfa não apresentou bom resultado, essa conclusão decorre do resultado do
somatório dos percentuais de cada elemento e da perda ao fogo. O somatório encontrado
foi de 60%, à medida que para os demais materiais foi de 100% com erro aproximado
de 1%. Esse erro ocorreu provavelmente por tratar-se de uma análise semi-quantitativa
em que se compara a amostra com um padrão que provavelmente não era o adequado. A
Turfa na análise no analisador elementar - LECO apresentou teor de enxofre
principalmente sob a forma de sulfato.
Como pode ser observado na Tabela 5.25, tanto a Cinza Grossa quanto a Cinza Fina são
constituídas principalmente por óxido de silício e óxido de alumínio. A razão
encontrada para essas cinzas é de 2:1 (argila), sendo encontrado também óxido de ferro
e concentrações subordinadas de óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de potássio
e traços de outros componentes. Esses valores estão de acordo com o que foi relatado
por CHIES et al. (2003) para a usina Termelétrica de Tubarão. Com relação ao enxofre,
apresentou teores baixos de enxofre pirítico e total em decorrência da combustão
incompleta desse material.
113
Os rejeitos (RG, RFP, RFD) são constituídos principalmente por óxido de silício e
óxido de alumínio com uma razão de 2:1, tal como a cinza. Apresentam percentuais
consideráveis de óxido de ferro, potássio e cálcio e subordinadamente óxido de titânio.
O teor de enxofre total do RG é de 7%, sendo mais de 4% de enxofre sulfático. O RFP
apresenta 4 % de enxofre total com proporções semelhantes de enxofre pirítico e
sulfático. Já o RFD é o que tem o menor teor de enxofre total detectado com 1,5 %,
onde 1,1 % é de enxofre sulfático. Os percentuais acima de 50% de enxofre sulfático
com relação ao enxofre total indicam um estágio já avançado de oxidação dos resíduos.
Tabela 5.25 – Resultados da fluorescência de raios X e teores de enxofre dos diferentes solos e
rejeitos.
Amostra JE AD JP T CF CG RG RFP RFD
FLUORESCÊNCIA DE RAIOS-X
S
<200ppm
0,10 % <200ppm 0,12 % 0,40 % <200ppm
0,84% 0,05% 0,10 %
SiO
2
81,4% 81,0 % 69,4 % 14,7% 57,1 % 57,9 % 39,0 % 41,6 % 34,70 %
Al
2
O
3
6,0 % 6,0% 10,1 % 2,4% 28,7 % 27,2 % 21,1 % 18,5 % 19,5 %
Na
2
O
ND <200ppm
ND <200ppm
<200ppm
<200ppm
<200ppm <200ppm
<200ppm
MgO
<200ppm
<200ppm
<200ppm <200ppm
0,72 % 0,64% <200ppm <200ppm
<200ppm
Fe
2
O
3
4,6% 4,5 % 10,3 % 1,5 % 4,40 % 5,5% 7,1 % 4,2% 2,60 %
Cl
0,02% 0,07% 0,07 % 0,07% 0,09 % 1,7% 0,10% 0,76% 0,07%
CdO
ND ND ND ND ND ND ND ND ND
CaO
<200ppm
<200ppm
<200ppm 1,0 % 2,0 % 1,4 % 1,2 % 2,7 % 1,0%
MnO
2
<200ppm
<200ppm
ND <200ppm
<200ppm
<200ppm
<200ppm <200ppm
<200ppm
PbO
ND ND ND ND <200ppm
ND ND ND ND
ZnO
<200ppm
0,19% <200ppm <200ppm
<200ppm
<200ppm
<200ppm <200ppm
<200ppm
K
2
O
0,19 % 0,23 0,25% 0,26% 2,60 % 2,5 % 1,8 % 1,5% 1,60 %
SO
3
<200ppm
0,26 0,29% 0,29% 2,0 % <200ppm
2,1 % 0,22% 0,24 %
TiO
2
2,2% 2,1% 2,1 % 0,12 % 1,3 % 1,1 % 0,83% 0,85% 0,81%
ZrO
2
0,10% 0,11% 0,09 % ND 0,13% 0,12 % 0,04% 0,07% 0,07%
PF
4,5% 4,7% 6,7% 39,3 % 0,66% 1,6 % 26,9% 30,2% 38,3%
Somatório
99,01% 99,26% 99,30% 59,76% 100,10% 99,66% 101,01% 100,65% 98,99%
TEOR DE ENXOFRE
S total <0,5 % <0,5 % <0,5 % 0,7% <0,5 % <0,5 % 7,2% 4,0 % 1,5%
S pirítico 0,05 % 0,04% 0,07% 0,01% 0,01 % 0,05 % 2,9% 2,2 % 0,40 %
S sulfático <0,5 % <0,5 % <0,5 % 0,69% <0,5 % <0,5 % 4,3% 1,8% 1,1 %
S orgânico <0,5 % <0,5 % <0,5 % ND <0,5 % <0,5 % ND ND ND
Elementos traços (<200ppm) detectados nas amostras:
Jazida Empresa – P, Sc, Cr, Ni, Cu, Y, Nb, Rh, I
Jazida Picollo – P, Cr, Cu, Sr, Y, Nb, Rh
Antigo Depósito – P, Cr, Cu, Sr, Y, Nb, Rh
Turfa –Cr, Ni, Cu, Sr, Zr, Rh, Ba
Cinza Fina – P, Cr, Mn, Ni, Cu, As, Rb, Sr, Y, Nb, Rh, BA, Co, Nd
Cinza Grossa – P, Cr, Co, NI, Cu, Rb, Sr, Y, Nb, Rh, Pr
Rejeito Grosso – P, Cr, Ni, Cu, RB, Sr, Y, Rh, Ba
Rejeito Fino Peneirado – Sc, Cr, Cu, Rb, Sr, Y, Nb, Rh
Rejeito Fino Decantado – P, Cr, Cu, Rb, Y, Rh, Ba
5.4.4.
Ensaio de lixiviação
Os resultados do ensaio de lixiviação são apresentados na Tabela 5.26. Como pode ser
observado nessa tabela os valores encontrados para a Cinza Grossa e a Cinza Fina e
para os demais rejeitos são inferiores ao limite admissível permitido pela norma
10004/87 e 10004/2004. Com base nestes resultados e na definição de toxicidade,
segundo a norma NBR10004/1987 e NBR1004/2004, as cinzas e rejeitos são
114
classificados como resíduos não tóxicos com relação aos elementos analisados. O
mesmo resultado foi obtido por UBALDO (2005) para uma segunda amostra de CF e de
CG.
Tabela 5.26 – Resultado do ensaio de lixiviação para os diversos rejeitos estudados.
ENSAIO DE LIXIVIAÇÃO (mg/L)
Elemento
NBR
10004/87
NBR
10004/2004
RG RFP RFD CF CG
Chumbo*
< 5,0
< 1,0
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
Cádmio*
< 0,5
Idem
< 0,02
< 0,02
< 0,02
< 0,02
< 0,02
Cromo
< 5,0
Idem
-
-
-
-
-
Arsênio
< 5,0
< 1,0
-
-
-
<0,1
-
Mercúrio
< 0,1
Idem
-
-
-
-
-
Selênio
< 1,0
Idem
-
-
-
-
-
Bário
< 70,0
idem
-
-
-
<0,1
-
* elementos analisados em Absorção Atômica c/ chama e c/ C
2
H
2
/ar para Pb e Cd e
– elementos não analisados
5.4.5. Ensaio de solubilização
As análises químicas realizadas no extrato solubilizado são apresentadas na Tabela 5.27
para o Rejeito Grosso, Rejeito Fino Peneirado, Rejeito Fino Decantado, Cinza Fina e
Cinza Grossa.
Tabela 5.27 – Resultado do ensaio de solubilização para os diversos rejeitos estudados.
ENSAIO DE SOLUBILIZAÇÃO
Amostra RG RFP RFD CF CG
pH inicial
2,69
5,32
8,2
11,2
6,7
pH final
2,8
5,15
5,12
5,04
5,00
Volume ácido adicionado (mL)
-
11
29,25
44,70
3,00
Tempo (h)
24:00:00
30:50:00
24:00:00
24:00:00
25:00:00
Elemento
NBR
10004/87
NBR
10004/2004
RG RFP RFD CF CG
Chumbo* (mg/L)
< 0,05 < 0,01 < 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
Cádmio* (mg/L)
< 0,005 Idem
0,05
< 0,02
< 0,02
< 0,02
< 0,02
Manganês* (mg/L)
< 0,1 Idem 9,1
3,3
0,52
< 0,05
< 0,05
Zinco* (mg/L)
< 5,0 Idem 12,3
19,2
5,1
3,05
3,95
Cobre* (mg/L)
< 1,0 <2,0 1,5
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
Alumínio* (mg/L)
< 0,2 Idem 111
< 1,0
< 1,0
1,1
< 1,0
Cromo* (mg/L)
< 0,05 Idem -
-
-
<0.05
0.05
Ferro* (mg/L)
< 0,3 Idem -
-
-
0.02
<0.02
Bário* (mg/L)
< 1,0 <0,07 -
-
-
ND
<0.1
Só
dio** (mg/L)
< 200 Idem 3,28
26,3
64,5
27,5
5,86
Cloreto** (mg/L)
< 250 Idem 5,66
5,85
27,6
0,51
8,06
Sulfato** (mg/L)
< 400 Idem 3657
636
906
333,5
61,3
Dureza (mg CaCO
3
/L)
500 Idem 901
530
573
480
30,9
* Limite de detecção do Cd - 0.005 mg/L, Al - 0.2 mg/L e Cr <0,05 (para conclusão mais específica
refazer com LD do aparelho mais sensível)
** - Absorção Atômica c/ chama c/ C
2
H
2
/ar para Pb, Cd, Mn, Zn, Cu, Al e dureza realizado no CETEM
**- Fotômetro de chama para o Na; colorimetria para o cloreto e gravimetria para o sulfato realizada na
COPPE/UFRJ
ND – não detectado e – não analisado
115
O Rejeito Grosso apresentou zinco, manganês, cobre, alumínio, sulfato e dureza acima
do limite preconizado pela norma 10004/1987 e, segundo a norma 10004/2004, dos
elementos listados anteriormente exclui-se o cobre. O Rejeito Fino Peneirado e o
Rejeito Fino Decantado apresentaram manganês, zinco, sulfato e dureza acima do limite
determinado pelas normas 10004/87 e 10004/2004. Segundo SKOUSEN et al. (2002) os
metais mais comuns que são solubilizados de rejeitos de carvão são ferro (pirita,
pirrotita, calcopirita), cobre (calcopirita), arsênio (calcopirita), cádmio, chumbo (galena)
e zinco (esfalerita). Desses metais apresentados por SKOUSEN et al. (2002) somente o
zinco foi encontrado.
A Cinza Fina apresentou alumínio, sulfato e dureza fora dos padrões. A Cinza Grossa
não apresentou nenhum íon fora do padrão, contudo, o equipamento utilizado na análise
apresentava um limite de detecção superior ao padrão estipulado pela norma, não
podendo ser tomada uma conclusão definitiva quanto ao cádmio, alumínio e cromo.
UBALDO (2005) repetiu as análises para uma nova amostra de Cinza Fina e grossa e
observou: a) a Cinza Grossa apresentou o elemento alumínio com valor acima do valor
permitido pela norma NBR 10004/04; b) a Cinza Fina apresentou valores acima do
valor permitido pela referida norma para os elementos alumínio, cromo e sulfato.
Os materiais estudados podem ser classificados como Resíduo Classe II-A – Não Inerte
de acordo com os resultados obtidos e segundo a definição apresentada na norma NBR
10004/2004.
5.5. Resultados dos ensaios especiais
5.5.1.
Capacidade tampão
O resultado do ensaio de capacidade tampão é apresentado sob a forma curva em um
gráfico de pH da suspensão versus o cmol de ácido adicionado H
+
por kg
-1
de solo,
sendo a capacidade tampão a inclinação negativa da curva no intervalo de pH de
interesse. As Figuras 5.21 e 5.22 apresentam os resultados para os solos e resíduos
ensaiados, respectivamente, comparados com minerais padrões apresentados por YONG
et al. (1990).
A capacidade de tamponar de um material está diretamente ligada à presença dos
cátions trocáveis, e da mineralogia. Os minerais que apresentam maior capacidade de
tamponamento são os carbonatos, sulfatos e argilominerais e secundariamante silicatos
que apresentam diferentes comportamentos ao serem atacadas em meio ácido.
A ausência de cálcio (exceto JE) e magnésio que constituem os carbonatos e que são os
minerais com maior potencial de neutralização, acrescida do baixo valor de CTC e
baixo pH, indica uma pequena capacidade de tamponamento por parte dos solos
estudados. Esta afirmativa pode ser confirmada ao observar os solos na Figura 5.21.
116
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 50 100 150 200 250
Ácido adicionado (cmolH+.kg-1 solo)
pH
Caulinita
Ilita
Esmectita
Jazida Empresa
Jazida Picollo
Antigo Depósito
Turfa
Branco
Figura 5.21 - Capacidade tampão para os solos ensaiados e minerais padrões esmectita,
caulinita e illita obtidos de YONG
et al.
(1990).
0
2
4
6
8
10
12
14
0 50 100 150 200 250 300
Ácido adicionado (cmolH+.kg-1 solo)
pH
Caulinita
Ilita
Esmectita
Rejeito Grosso
Rejeito Fino Peneirado
Rejeito Fino Decantado
Cinza Fina
Cinza Grossa
Branco
Figura 5.22 - Capacidade tampão para os resíduos ensaiados e minerais padrões esmectita,
caulinita e illita obtidos de YONG
et al.
(1990).
Conforme apresentado na Figura 5.22, a Cinza Fina na condição inicial é a que tem a
maior capacidade de tamponamento. Mas, quando a quantidade de ácido atinge 25 cmol
H
+
/kg de Cinza Fina, a capacidade de tamponamento cai bruscamente até atingir
valores inferiores ao obtidos para o RFD e RFP quando atinge 50 cmol H
+
/kg do
material estudado.
A Cinza Grossa e o Rejeito Grosso não apresentam capacidade de tamponar o ácido
adicionado, sendo um dos fatores prováveis o tamanho do grão que pode ser relacionado
117
à superfície disponível para que ocorram as reações. O RG apresenta razão Ca/S da
ordem de 0,2 o que indica este comportamento de baixa capacidade tampão. Mesmo a
CG apresentando um teor superior a 1% de cálcio e um pequeno teor de enxofre pirítico,
não tem poder de tamponamento, provavelmente devido à ausência de cálcio sob a
forma de carbonato e sim em um mineral que apresenta baixa solubilidade. A CF
contém 50% a mais de cálcio e tem maior capacidade de tamponamento do que a CG,
provavelmente a sua granulometria mais fina favoreça a reação e o tamponamento.
O RFD e RFP apresentam pH inicial inferior ao da Cinza Fina, contudo tamponam o
ácido adicionado. O RFP apresenta: a) elevada soma de bases; b) 138 g/Kg de carbono
inorgânico que provavelmente compõe os carbonatos; c) 2,7% de cálcio; d) 4,0% de
enxofre; e) relação Ca/S de 0,7%. Estas características conferem uma capacidade de
tamponamento ao RFP semelhante ao comportamento da illita. O RFD tem capacidade
de tamponamento menor do que o RFP. O RFD apresenta a mesma razão Ca/S, mas a
sua CTC é a metade do RFP. Isso explica o observado.
5.5.2.
Balanço ácido-base
O NNP (produto do potencial de neutralização) é obtido pela diferença entre o potencial
de neutralização (PN) e o potencial de produção de acidez (APP). Se PN>APP, o
material não apresenta risco de acidificação porque existe uma maior abundância de
substâncias neutralizadoras, que diminuem ou anulam o risco de acidificação do
material. Se APP>PN, o material apresenta um potencial de geração de acidez. A
Tabela 5.28 apresenta o potencial de neutralização, de produção de acidez e o produto
do potencial de neutralização dos diferentes resíduos.
Tabela 5.28 – Resultados do potencial de neutralização, de produção de acidez e o produto do
potencial de neutralização dos diferentes resíduos estudados.
AMOSTRA PN APP NPP
Rejeito Fino Peneirado - RFP 38,13 125,00 -86,87
Rejeito Grosso - RG -8,75 225,00 -233,75
Rejeito Fino Decantado - RFD 15,75 46,88 -31,43
Cinza Fina - CF 24,83 15,63 9,20
Cinza Grossa - CG 8,63 15,63 -7,00
Turfa – T -24,38 21,88 -46,26
Jazida Empresa - JE -0,50 15,63 -16,13
Jazida Picollo - JP -2,63 15,63 -18,28
Antigo Depósito - AD -1,00 0,00 -1,00
* - Unidades de PN e APP
(Kg CaCO
3
/t material)
De acordo com SOBEK et al (1978), valores de NPP ≥ 20 são considerados como
indicadores de que o material apresenta pouco risco de gerar ácido, ao passo que valores
para NPP ≤ -20 classificariam o material como gerador de ácido. Os valores
compreendidos entre 20 e -20 devem ser designados dentro do campo das incertezas.
SKOUSEN et al. (2002) estudaram 56 rejeitos de carvão diferentes e encontraram
valores de potencial de geração de acidez (PN) variando de 2,2 a -260,7, de potencial de
neutralização de acidez (APP) de 1,0 a 44,5 e de produto potencial de neutralização
(NPP) de 12,6 a -222,0. Esses valores demonstram até que alguns rejeitos não eram
potencialmente geradores de acidez. Mas com relação aos rejeitos estudados, destaca-se
que o Rejeito Fino Peneirado e o decantado apresentam valores de acordo com a
118
literatura sendo enquadrados no grupo de geradores de acidez. O Rejeito Grosso, no
entanto, apresenta potencial de geração de acidez e produto potencial de neutralização
acima do obtido por SKOUSEN et al. (2002), demonstrando uma intensa produção de
acidez.
As cinzas têm baixo potencial de neutralização e o enxofre que sobrou da combustão,
confere a este material um pequeno potencial de geração de acidez. O produto potencial
de neutralização (NPP) é positivo para a Cinza Fina (PN>APP) e negativo para a Cinza
Grossa (PN<APP). Os valores obtidos de NPP posicionam este material na zona de
incerteza com relação a geração de acidez, ou seja, não tem potencial de neutralizar e
pode até gerar acidez.
Os materiais Antigo Depósito, Jazida Picollo, Jazida Empresa e Turfa apresentam pH
ácido e não possuem minerais que neutralizem a acidez de forma efetiva, possuindo
então baixíssimo potencial de neutralização. Esses materiais têm pequeno percentual de
enxofre total (exceto antigo depósito) o que lhes confere potencial de produção de
acidez. Com relação ao produto do potencial de neutralização, os solos se posicionam
na zona de incerteza e a Turfa é potencialmente geradora de acidez.
Destaca-se que o potencial de produção de acidez e o potencial de geração de acidez
estão diretamente ligados a qualidade da água. Ou seja, materiais com as características
dos rejeitos estudados levam a alteração da qualidade da água dos corpos hídricos
conforme constatado em toda a região carbonífera sul catarinense. E os valores
encontrados, principalmente para o Rejeito Grosso denotam que esses devem ser
dispostos de forma controlada e evitando o seu contato com o oxigênio.
5.6. Resultados dos ensaios mineralógicos
Os resultados dos estudos de difração de Raios-X e MEV são apresentados a seguir.
5.6.1.
Difração de raios-X
A difração de raios-X da amostra total dos resíduos (CG, CF, RFD, RFP e RG) foi
realizada no CETEM com o material passante na peneira com abertura de 150 mesh
utilizando a técnica do pó. Os solos foram analisados por difração de raios-X em
amostra total, e nas frações silte e argila pela técnica de esfregaço em lâmina. A análise
dos solos foi feita na Universidade Federal de Viçosa no Laboratório de Mineralogia do
Solo do Departamento de Solos.
A Tabela 5.29 apresenta uma síntese da mineralogia e o ANEXO IV apresenta as
difrações de raios-X.
119
Tabela 5.29 – Mineralogia dos materiais estudados.
Amostra Mineralogia Laboratório
Antigo Depósito (AD)* Quartzo, caulinita e montmorilonita UFV
Jazida Empresa (JE)* Quartzo caulinita e montmorilonita UFV
Jazida Picollo (JP)* Quartzo, caulinita UFV
Turfa (T)* Quartzo UFV
Areia (A)* Quartzo UFV
Cinza Fina (CF)* Quartzo, caulinita, muscovita,
gipsita e pirita
CETEM
Cinza Grossa (CG)* Quartzo, caulinita, muscovita,
gipsita e pirita
CETEM
Rejeito Fino Decantado** (RFD) Quartzo e mulita CETEM
Rejeito Fino Peneirado** (RFP) Quartzo, caulinita, gipsita,
muscovita e pirita
CETEM
Rejeito Grosso** (RG) Quartzo, mulita e pirita CETEM
* síntese da mineralogia da amostra total, fração silte e argila e ** - amostra total passante na peneira 150
A Turfa teve a sua difração de raios-X comprometida devido ao elevado percentual de
matéria orgânica. Esse material, aparentemente, apresenta somente quartzo confirmando
a observação da fração Areia após o peneiramento.
As amostras Jazida Empresa e Antigo Depósito são muito semelhantes tanto
texturalmente como mineralogicamente, confirmando a mesma origem. E a presença do
mineral 2:1 montmorilonita refletiu-se durante a pesquisa na difícil trabalhabilidade e
contração desses materiais, no
∆
pH positivo de JE e nos valores acima dos esperados de
CTC para JE e AD. Mas a presença desse argilomineral não afetou significativamente o
limite de liquidez, provavelmente devido ao percentual elevado de quartzo na amostra,
confirmado pelo teor de óxido de silício indicado pela fluorescência de raios-X. A
presença de quartzo em proporção elevada passante na peneira 40 mascara o valor do
limite de liquidez e de plasticidade do solo, mesmo com a presença dos argilominerais
2:1 que foram confirmados nos demais ensaios.
A Jazida Picollo aparentemente é composta somente por caulinita e quartzo, conforme
observado na difração de raios-X e confirmado pelos valores dos Limites de Atterberg,
∆
pH, CTC e Ki.
As amostras de rejeito e cinza apresentaram em sua maioria quartzo, aluminossilicato
(mulita ou caulinita), com ou sem presença de muscovita. A pirita não ocorreu no
Rejeito Fino Decantado. Notou-se também a presença de sulfato cálcio hidratado
(gipsita) no Rejeito Fino Peneirado, na Cinza Grossa e na Cinza Fina, ao entrar em
contato com meio ácido libera sulfato e cálcio. Este mineral fornece uma baixa
capacidade de tamponamento e eleva o pH destes materiais. A gipsita (sulfato de cálcio)
e a mulita (silicato de alumínio) são minerais secundários indicando uma
intemperização da rocha fonte do carvão mineral ou nos depósitos. Não foram
observados no rejeito minerais de alteração da pirita. A mineralogia obtida confirma a
presença de sulfato, dureza e alumínio presente no ensaio de solubilização para os
rejeitos e as cinzas.
120
5.6.2.
Microscopia Eletrônico de Varredura
As amostras foram moldadas, secas em estufa e impregnadas, para posterior observação
no MEV com visadas de 35X, 200X e 350X de aumento, com o objetivo de visualisar a
distribuição dos poros nas amostras. Uma síntese dos índices físicos dos materiais
observados no MEV é apresentada na Tabela 5.30. Nas Figuras 5.23 e 5.24 observam-se
os aumentos de 200X e 350X para as três condições de moldagem para a Jazida
Empresa e Picollo respectivamente.
Tabela 5.30 – Índices físicos das amostras analisadas no MEV e ensaios de difusão
correspondentes.
Condição de Mondagem
Amostra
N
O.
MEV
Ensaio
Difusão
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
w (%) S(%) n
θ
θθ
θ
ar
1
19
1.757
11.07
57.00
0.341
0.147
2
13
1.837
14.59
86.12
0.311
0.043
JE
3
9
1.791
16.33
89.04
0.328
0.036
1
12
1.393
21.39
64.73
0.460
0.162
2
4
1.365
25.35
73.45
0.471
0.125
JP
3
3
1.418
29.95
94.25
0.451
0.026
Comparando as condições de compactação 1, 2 e 3 para a JE e utilizando a análise
visual, pode-se afirmar que: a) no aumento de 200X observam-se poros de tamanho
aproximado de 0,2 mm, e no aumento de 350X os poros maiores observados nesta
visada são de 0,02 mm e os menores são inferiores a 0,002 mm; b) conforme aumenta a
massa específica aparente seca, diminui o número de poros de maior diâmetro e
aumenta o número de menor diâmetro; e c) na condição de compactação 3 no aumento
de 350X os poros parecem alvéolos, e aparentemente têm diâmetros superiores aos
observados na condição 2 de compactação (umidade ótima e massa específica aparente
máxima). Era de se esperar que nesta condição os floculos/agregados se encontrassem
orientados, o que não foi observado.
Com relação à Jazida Picollo pode-se afirmar que é semelhante à Jazida Empresa, e que
na condição mais úmida (3) a feição de alvéolos se repete.
Na Figura 5.25 observa-se os resultados obtidos para a Cinza Grossa com aumento
150X, 350X e 750X. Os grãos da cinza são angulosos, rugosos e porosos. Os poros
presentes no grão da Cinza Grossa podem conferir à amostra compactada uma
microporosidade caso estejam interconectados.
121
(1) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,757 e h = 11,07)
(1) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,757 e h = 11,07)
(2) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,837 e h = 14,59)
(2) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1.8,7 e h = 14,59)
(3) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,791 e h = 16,33)
(3) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,791 e h = 16,33)
Figura 5.23 – Imagens obtidas do MEV com aumento de 200 e 350 vezes em três condições de
compactações distintas para a Jazida Empresa
.
122
(1) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,393 e h = 21,39)
(2) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,393 e h = 21,39)
(2) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,365 e h = 25,35)
(2) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,365 e h = 25,35)
(3) – Aumento de 200 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,418 e h = 29,95)
(3) – Aumento de 350 X
(ρ
s g/cm
3
= 1,418 e h = 29,95)
Figura 5.24 – Imagens obtidas do MEV com aumento de 200 e 350 vezes em três condições de
compactações distintas para a Jazida Picollo
.
123
(a)
(b)
(c)
Figura 5.25 – Imagens obtidas do MEV, onde (a) de 150X, (b) e 350X e (c) 750 X de aumento
para a Cinza Grossa.
5.7. Resultados dos ensaios microbiológicos
Os microorganismos presentes no solo podem afetar a concentração do oxigênio durante
os ensaios de difusão devido à respiração. A respiração celular é proporcional ao
número de indivíduos ou colônias presentes no solo. Para avaliar melhor a difusão deve-
se eliminar esta componente. Foi realizado um estudo de técnicas possíveis de serem
aplicadas ao material a ser utilizado no ensaio de difusão de forma a esterilizá-lo.
5.7.1. Escolha das técnicas de esterilização
Optou-se por estudar a técnica de autoclavagem, adição de azida 5% e formaldeído 3%.
Para a escolha da técnica de esterilização optou-se por avaliar as características de
granulometria, peso específico dos grãos e teor de matéria orgânica no caso do material
124
autoclavado. A consistência também foi avaliada após a autoclavagem e no caso da
adição de azida e formaldeído.
Destaca-se que a manipulação da azida e do formaldeído deve ser feita em capela, e que
o formaldeído irrita as vias respiratórias e oculares, e a azida causa náusea.
Na Figura 5.26 observa-se uma comparação entre as curvas granulométricas
autoclavadas (linha pontilhada) e não autoclavadas (linha contínua).
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Empesa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Empesa
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Picollo
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Jazida Picollo
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Turfa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
Turfa
Figura 5.26 – Curvas granulométricas dos solos Jazida Empresa, Jazida Picollo e Turfa
autoclavado linha tracejada e não autoclavado linha contínua.
O estudo da curva granulométrica autoclavada tem por objetivo visualizar alguma
alteração na agregação do solo em função da alteração da fração argila como
conseqüência da pressão de 1,1 atm e temperatura de 120
0
C inerentes ao processo. Para
as amostras de Jazida Empresa e Jazida Picollo não foi observada uma alteração
significativa, e na amostra Turfa, aparentemente, ocorreu uma desagregação em
decorrência da queima da amostra devido à autoclavagem. Como esta amostra tem o
maior teor de matéria orgânica era de se esperar este comportamento.
Este ensaio não foi realizado com a azida e formaldeído porque a colocação dessas
substâncias altera a densidade e viscosidade da água e mascara o resultado da análise do
solo. Deve-se considerar que o tempo de contato solo-composto químico (azida ou
formaldeído) foi pequeno. Consequentemente as reações químicas não puderam se
desenvolver a valor de alterar completamente a mineralogia. A Tabela 5.31 apresenta os
resultados nas amostras ensaiadas por autoclavagem ou adição de azida ou adição de
formaldeído para a Jazida Empresa, Jazida Picollo, Cinza Grossa e Turfa.
125
Tabela 5.31 – Resultados de limites de Atterberg, densidade real dos grãos e teor de matéria
orgânica da Jazida Empresa, Jazida Picollo e Turfa autoclavado e não autoclavado.
Condição
Amostra w
L
(%) wp (%) IP (%) Gs TMO (%)
Jazida Empresa 24,8 12,5 12,3 2,667
1,04
Jazida Picollo 37,8 24,0 13,8 2,581
5,42
Turfa NP NP NP 1,691
68,6
Natural
Cinza Grossa NP NP NP 1,958
2,05
Jazida Empresa 23,1 11,7 11,4 2,610
1,40
Jazida Picollo 28,8 16,7 12,1 2,481
6,71
Turfa NP NP NP 1,733
73,6
Autoclavada
Cinza Grossa NP NP NP 1,958
2,05
Jazida Empresa 25,1 12,3 12,8 - - Azida
Jazida Picollo 35,7 18,6 17,1 - -
Jazida Empresa 25,8 12,5 13,3 - - Formaldeído
Jazida Picollo 34,9 21,3 13,6 - -
- ensaio não realizado
A autoclavagem reduziu o limite de liquidez e plasticidade, mantendo o índice de
plasticidade para os solos ensaiados. Não se observa diferença significativa entre os
limites de consistência do solo onde foi adicionada a azida sódica (5%) e o formaldeído
(3%). No caso da Cinza Grossa, também foi adicionado formaldeído e azida sódica, mas
não foi avaliado os limites de Atterberg.
ALEF & NANNIPIERI (1995) relatam que a azida sódica pode remover os íons de
sódio do solo, mas foi observado que os íons de ferro é que foram remobilizados como
mostrado na Figura 5.27. Já o material autoclavado não apresentou diferença
significativa no seu comportamento.
Figura 5.27 – Amostras de solo da Jazida Empresa e Jazida Picollo preparadas para o ensaio de
limite de liquidez com Formaldeído e Azida.
Jazida Empresa Jazida Picollo
Formaldeído Formaldeído
Azida
Azida
126
5.7.2. Avaliação da atividade microbiológica
A avaliação da atividade microbiológica foi realizada em várias etapas durante o
trabalho, com diferentes objetivos. Para tanto, foi utilizada a técnica de contagem das
unidades formadoras de colônia.
Para a retirada dos microorganismos do solo e da cinza, foi preparada em erlenmeyer
uma suspensão com 10 g de solo e 100 mL de solução salina estéril (NaCl a 0,9%) que
foi agitada no shacker a 150 rotações por minutos por uma hora. Diluições sucessivas
em tubos de ensaio com 1 ml de suspensão e 9 mL de solução salina foram realizadas
utilizando o agitador mecânico de tubos vortex.
Inicialmente o estudo teve por finalidade determinar a atividade microbiológica natural
do material, que foi realizada com os solos Jazida Empresa, Jazida Picollo e Turfa. No
caso do solo em estado natural foram utilizadas diluições no tubo de ensaio de 10
--1
a
10
-10
.
Em um segundo instante, foi realizado um estudo sobre a influência da secagem ao ar e
posterior do armazenamento do material seco sobre o número de unidades formadoras
de colônias nos solos da Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa. Neste estudo
foram utilizadas diluições no tubo de 10
-0
a 10
-3
. O mesmo processo foi utilizado para
avaliar o método de esterilização (autoclavagem, azida sódica e formaldeído) que seria
aplicada nos estudos de esterilização e a persistência da esterilização com o tempo no
material.
A primeira e a segunda avaliação foram realizadas no CETEM para o aprendizado do
método. E a partir da terceira avaliação, foi realizada no Laboratório de Geotecnia da
COPPE/UFRJ. As Tabelas 5.32, 5.33 e 5.34 apresentam os resultados desses testes
Tabela 5.32 – Número de unidades formadoras de colônias no estado natural, após secagem e
umedecimento por dois dias e por sete dias.
Número de Unidades Formadoras de Colônias (U.F.C./g solo)
Amostra
Natural Secagem/Armazenamento
dois dias de Umedecimento
Secagem/Armazenamento
sete dias de Umedecimento
Jazida
Empresa
3 x 10
4
** **
Jazida
Picollo
4 x 10
7
8 x10
5
4x10
6
Turfa 2 x 10
6
- -
Cinza Grossa
- 2 x10
5
3 x10
6
- ensaio não realizado; ** - 1 colônia por placa em diluições diferentes
O solo Jazida Empresa já possui uma baixa contagem microbiológica natural (Figura
5.28), provavelmente devido ao baixo teor de carbono, baixa relação C:N, baixo teor de
nutrientes disponíveis, aliado ao baixo pH do solo. Este solo, ao sofrer processo de
secagem e armazenamento, esterilizou-se naturalmente, apresentando menos de 30
unidades formadoras de colônias por grama de solo no menor fator de diluição estudado
mesmo após sete dias de adição da umidade.
127
Tabela 5.33 – Avaliação do número de unidades formadoras de colônia após a esterilização por
autoclavagem, e com a adição de composto orgânico azida sódica (5%) e formaldeído (3%).
Número de Unidades Formadoras de Colônias (U.F.C./g solo)
Amostra
Autoclavagem
2 dias
Autoclavagem
7 dias
Azida
Sódica (5%)
Formaldeído
(3%)
Jazida
Empresa
** ** ** **
Jazida
Picollo
** **
3x10
4
**
Cinza Grossa
** -
**
**
- ensaio não realizado; ** - 1 colônia por placa em diluições diferentes
Tabela 5.34 – Avaliação do número de unidades formadoras de colônia no material esterilizado
com formaldeído (3%) e no material em estado natural após o ensaio de difusão.
Número de Unidades Formadoras de Colônias (U.F.C./g solo)
Amostra
Branco (solo acrescido de água) Formaldeído (3%)
Jazida
Empresa
** **
Jazida
Picollo
1 x 10
5
**
Cinza Grossa
2 x10
5
**
- ensaio não realizado; ** - 1 colônia por placa em diluições diferentes
(a)
(b)
Figura 5.28 – Unidades formadoras de colônias com fator de diluição de 10
-2
para a Jazida
Empresa (a) e a Turfa (b) no estado natural conservados no freezer.
Na Figura 5.28 pode-se notar a diferença dos resultados para o mesmo fator de diluição:
foram contadas 5 colônias para a Jazida Empresa (a) e 91 colônias para a Turfa (b). As
colônias são mais desenvolvidas na Turfa e predominam grandes colônias de fungos e
bactérias do que na Jazida Empresa. É possível observar também as colônias
superficiais e subsuperficiais na placa da amostra de Turfa. A Jazida Picollo também
apresenta vários fungos e maior contagem de microorganismos do que a Turfa no estado
natural.
No caso da Jazida Picollo e da Turfa, após a secagem da amostra e posterior adição de
água e repouso por 48 horas, o número de unidades formadoras de colônias obtidas é
100 vezes menor do que na amostra natural. Mas depois de sete dias o número passa a
128
ser 10 vezes menor do que no estado natural, concluindo-se dessa forma que os
microorganismos estão se desenvolvendo e se adaptando à nova situação imposta,
podendo até chegar ao número de organismos anteriormente observado. Mas a
diversidade se mostrará comprometida em função da secagem, persistindo, assim,
somente os organismos mais resistentes como os fungos.
Uma informação importante é que no estado natural nas Jazidas Empresa e Picollo as
colônias de bactérias eram superiores as de fungo, mas, após a secagem, as colônias de
bactérias foram as que apresentaram maior dificuldade de retornar, por se tratar de
organismos mais sensíveis à mudança no ambiente.
A autoclavagem funcionou para todos os solos ensaiados. Cada alternativa de
esterilização possui vantagens e desvantagens associadas. No caso da autoclavagem
alterou os índices de consistência do solo e necessita de três dias para a preparação,
contudo não é tóxica.
A Jazida Empresa comportou-se bem em todas as técnicas de esterilização empregadas
porque naturalmente já apresentava pequena biota, principalmente após a secagem.
A azida sódica é um composto sólido, de difícil solubilidade em água. Para adição no
solo, a azida foi diluída em água destilada esterilizada e depois foi adicionada ao solo e
homogeneizada. Como resultado geral, obteve-se a esterilização do solo, mas foi
observada a ocorrência dispersa de unidades de colônias em diversas diluições,
indicando que esta substância não se misturou de forma uniforme ao solo. Além disso,
esta substância remobiliza o ferro do solo.
As amostras que sofreram a adição de formaldeído não apresentaram mudança
significativa na consistência ou aparência, apresentando-se estéreis imediatamente após
a aplicação desta substância. O formaldeído foi diluído em água destilada e esterilizada
e aplicada ao solo.
Em função do exposto, foi escolhido o formaldeído como substância esterilizante do
solo para o estudo da difusão e consumo. Neste sentido foi feita uma contagem de
unidades formadoras de colônia após o término do ensaio de difusão com o solo no
estado natural e esterilizado, conforme apresentado na Figura 5.34. O resultado
confirma a persistência da esterilização do solo, mostrando que o formaldeído pode ser
utilizado para esta finalidade.
129
5.8. Considerações finais
As principais características geotécnicas dos materiais estudados são apresentadas na
Tabela 5.35.
Tabela 5.35 – Principais características geotécnicas e de moldagem dos corpos de prova
ensaiados.
Característica
JE JP T CG RG RFP RFD
% Finos 70 67 9 13 9 16 27
W
L
(%) 24,8 37,8 - - - - 44,0
Ip (%) 12,3 13,8 - - - - 20,8
SUCS CL CL SP SM GW-GC SM CL
Gs 2,667 2,581 1,691
2,043 2,407 2,278 1,996
TMO (Kg/g) 10,2 50,2 390,3
20,9 303.3 147,5 331,4
K (cm/s) – 2% w
otm
2,6x10
-8
1,7x10
-8 -
2,45 x 10
-4
- 1,13 x10
-3
* -
Umidade ótima (%) 14,2 25,8 - 42,0 - - -
ρ
s
(g/cm
3
)
1,810 1,408 - 0,909
-
-
-
- não determinado; * campo; CL – argila de baixa compressibilidade, SM – areia siltosa, SP –
areia mal graduada, GW - pedregulho bem graudado, GC – pedregulho com finos
Com relação às características geotécnicas, físico-químicas e mineralógicas destaca-se:
a)
Jazida Empresa
Este material compõe a camada sedimentar recente correspondente ao cambissolo com
espessura variável de 3 a 5 m presentes nas planícies aluviais adjacentes à empresa. Este
solo é reservado como material de empréstimo pela Carbonífera Criciúma S.A.. A
amostra deste material foi coletada na área em que o mesmo fica armazenado. A
umidade do material no campo é superior ao limite de liquidez de 24,8%. O valor
mínimo de permeabilidade saturada obtido foi de 2,6x10
-8
cm/s na condição 2% acima
da umidade ótima e 4,1x10
-6
cm/s na umidade ótima. Alguns ensaios foram utilizados
para a determinação da curva de retenção, mas o que foi utilizado na modelagem no
SOILCOVER foi o PF3, onde foram encontrados os parâmetros de ajuste a=23902, n =
1,76 e m = 3,29 da Equação de FREDLUND & XING (1994). No caso do parâmetro m
v
utilizado no SOILCOVER como parâmetro de entrada do solo observou-se valores da
ordem de 10
-4
KPa, sendo utilizado o valor 2,4x10
-4
KPa nas simulações apresentadas
no capítulo 8.
Com relação às características físico-químicas, destaca-se que o pH é ácido e o ∆pH
positivo indica presença de argilomineral 2:1, que foi confirmada pela difração de raios-
X. A condutividade elétrica, o teor de matéria orgânica e a razão C:N são baixas. O
valor de relação C:N obtido para este material indica falta de C oxidável denotando
pequena atividade microbiológica, fato este confirmado pela contagem microbiológica.
Este foi o solo que obteve a maior CTC, e o ataque sulfúrico indica que ele é caulínico e
pouco lixiviado. Apresenta baixa capacidade tampão e se posiciona na zona de incerteza
quanto ao potencial de geração de acidez. É composto predominantemente por quartzo e
caulinita e subordinadamente por montomorilonita, o que causa a elevação da CTC.
Comparando este solo com o Antigo Depósito, conclui-se que são muito semelhantes
texturalmente e físico-quimicamente, provavelmente tem a mesma procedência. A
130
presença do mineral 2:1 faz com que este material seja de difícil manipulação no
laboratório e no campo.
b)
Jazida Picollo
A Jazida Picollo fica fora dos limites da empresa e está disponível em menor
quantidade. Caracteriza-se por apresentar silte e areia na mesma proporção (38%), a
fração correspondente do restante do material é a argila. Na umidade ótima foi obtida
uma permeabilidade de 2,7x10
-7
cm/s e 1,7x10
-8
cm/s 2% acima da umidade ótima. Os
dados da curva de retenção utilizados na modelagem do SOILCOVER foram do ensaio
PF2 que apresentou parâmetros de ajuste a=425, n = 0,47 e m = 1,72. O m
v
deste solo
não diferiu significativamente do obtido para a Jazida Empresa, apresentando também
valores da ordem de 10
-4
KPa.
Com relação às características físico-químicas, destaca-se que o pH é ácido e o ∆pH
está próximo da neutralidade, e a condutividade elétrica é baixa. Dos solos é o que
apresenta o maior teor de matéria orgânica e o valor de relação C:N está compatível
para os solos com disponibilidade de carbono e nitrogênio. A relação C:N obtida
confere a este solo uma boa atividade microbiológica, conforme foi observado. O ataque
sulfúrico indica que o solo é caulínico e pouco lixiviado, onde os valores de CTC
obtidos são compatíveis com os valores de um solo caulínico. Este solo tem baixa
capacidade tampão e se posiciona na zona de incerteza quanto ao potencial de geração
de acidez. É composto predominantemente por quartzo e caulinita.
c)
Turfa
A Turfa coletada tem sido utilizada como substrato para fixação da vegetação com
espessura não superior a 5 cm. É grossa, com baixo grau de decomposição e não
plástica. Granulometricamente tem 84% da fração areia e 8% de silte e 8% de
predegulho e, de acordo com SUCS, pode ser enquadrada como uma areia siltosa.
Com relação às características físico-químicas, destaca-se que o pH é ácido, o TMO e a
CTC são baixas para este tipo de material. Com relação a razão C:N, esta indica que a
matéria orgânica ainda não está estabilizada (razão da baixo TMO obtido). Isto ocorre
provavelmente devido à presença elevada de fragmentos de galhos e folhas. A presença
elevada de carbono dificulta a análise por difração de Raios-X, mas mineralogicamente,
somente foi observado o quartzo confirmando a observação da amostra na fração areia.
d)
Cinza Grossa
A fração granulométrica predominante é a areia compreendendo 79% da amostra,
apresentando ainda 13 % de silte e 8% de pedregulho. É não plástica e, segundo SUSC,
enquadra-se como uma areia siltosa. Os dados de curva de retenção que foram utilizados
na modelagem do SOILCOVER foi o referente ao ensaio PF1 onde foram encontrados
os parâmetros de ajuste a=21,66, n = 1,06 e m = 1,23 da Equação de FREDLUND &
XING (1994). O parâmetro m
v
também foi da ordem de 10
-4
KPa.
O pH da cinza é alcalino, apresenta baixíssima condutividade elétrica, mas apresenta
ainda TMO indicando a combustão incompleta deste material. A relação C:N obtida é
favorável à atividade microbiológica como foi observado na contagem das unidades
131
formadoras de colônia. Sua constituição química principal é oxido de silício e de
alumínio perfazendo aproximadamente 85% dos elementos presentes no material. No
ensaio de solubilização este material apresenta alumínio acima do limite permitido
sendo classificado como resíduo classe II-A não inerte. Quanto ao ensaio de lixiviação,
pode ser considerada não tóxica. Sua capacidade tampão é baixa e se posiciona na zona
de incerteza quanto ao seu potencial de geração de acidez. Mineralogicamente é
composto por quartzo, caulinita, muscovita, gipsita e pirita.
Seu comportamenteo físico-quimico faz com que seu uso seja descartado como
elemento da camada superficial ou de proteção. Mas pode ser colocado em contato com
as argilas estudadas, compondo uma barreira capilar simples ou dupla.
e)
Rejeitos
O depósito de rejeitos não tem um projeto de disposição clara, o que leva à formação de
descontinuidades hidráulicas em seu interior, criando até aqüíferos suspensos. O Rejeito
Fino Peneirado é utilizado para capear o depósito e o Rejeito Grosso é o mais
abundante. Os ensaios de permeabilidade realizados no depósito de rejeitos forneceram
valores da ordem de 4x10
-1
a 2x10
-2
cm/s, com as massas específicas aparente secas no
depósito de rejeitos de 1,44 e 1,62, respectivamente.
Em função do processo, os rejeitos gerados apresentam uma variabilidade quanto à
distribuição granulométrica, sendo a maioria dos materiais não plásticos, excetuando-se
o Rejeito Fino Decantado que apresenta um índice de plasticidade de 23,2%. Segundo
SUCS, o RG pode ser enquadrado como um pedregulho bem graduado ou com finos, o
RFP como areia siltosa e RFD como uma argila de baixa compressibilidade.
O RG e RFP são ácidos ao passo que o RFD é alcalino. A condutividade elétrica do RG
é elevada quando comparada com os demais rejeitos. O teor de matéria orgânica é alto,
em torno de 30% no RG e RFD, e 15% no RFP. O RFP e RFD apresentam soma de
bases igual a CTC indicando que não apresentam alumínio e hidrogênio como cátions
trocáveis, onde os principais cátions observados são o cálcio e o sódio. O teor de
enxofre total do RG é de 7%, RFP de 4% e RFD de 1,5%, onde mais de 50% desse
enxofre é sulfático, indicando que esses rejeitos já estão oxidados. No ensaio de
solubilização o RG apresentou manganês, cobre, alumínio e dureza acima do que a
norma preconiza, ao passo que o RFP e RFD, dos elementos listados para o RG, não
excederam o cobre e o alumínio, mas, em contrapartida, apresentaram zinco. Já no
ensaio de lixiviação dos elementos analisados nenhum rejeito excedeu o limite
preconizado pela norma. Sendo estes rejeitos classificados como resíduo classe II-A não
inertes quanto à solubilização, e podem ser considerados não tóxicos quanto à
lixiviação. Com relação à capacidade tampão, o RFP tem uma capacidade de
tamponamento seguido pelo RFD, e o RG não apresenta esta característica. O RG, RFP
e RFD podem ser considerados como geradores de acidez, onde o valor obtido para o
Rejeito Grosso é elevado. Estes rejeitos apresentam quartzo e aluminossilicato como
minerais principais com presença ou ausência de pirita e gipsita.
A curva granulométrica do Rejeito Fino Peneirado é muito parecida com a curva da
Cinza Grossa, por isso, decidiu-se testar este elemento no sistema de barreira capilar,
posicionando este material abaixo da camada de solo compactada. Obteve-se uma massa
específica aparente máxima de 1,44 g/cm
3
por pluviação, e permeabilidade saturada de
132
1,13x10
-3
cm/s correspondente a essa massa específica. No programa SOILCOVER foi
utilizado o dado do único ensaio de papel filtro realizado com este material (a = 7,27; n
= 9,24 e m = 0,36) e o parâmetro m
v
foi estimado de 4x10
-4
KPa.
Com relação à atividade microbiológica destaca-se:
a)
no seu estado natural a Jazida Empresa apresenta um número de unidades
formadoras de colônias 100 vezes menor do que a Turfa e 1000 vezes menor do
que a Jazida Picollo.
b)
na Jazida Picollo e na Turfa, após a secagem da amostra e posterior adição de
água e repouso por 48 horas, o número de unidades formadoras de colônias
obtido é 100 vezes menor do que na amostra natural. Mas depois de sete dias o
número passa a ser 10 vezes menor do que no estado natural. No entanto, a
Jazida Empresa torna-se estéril após a secagem;
c)
no estado natural as Jazidas Empresa e Picollo apresentavam número de colônias
de bactérias superiores as de fungo. Mas após a secagem, passou a predominar
as colônias de fungos denotando a mudança de diversidade de organismos;
Com relação à esterilização do solo destaca-se:
a)
a autoclavagem funcionou para todos os solos ensaiados;
b)
a Jazida Empresa comportou-se bem com todas as técnicas de esterilização
empregadas;
c)
a azida sódica esterilizou o solo, mas foi observada a ocorrência dispersa de
unidades formadoras de colônias em diversas diluições, indicando que esta
substância não se misturou de forma uniforme ao solo. Além disso, essa
substância remobiliza o ferro do solo;
d)
as amostras que sofreram a adição de formaldeído não apresentaram mudança
significativa na consistência ou aparência, apresentando-se estéreis
imediatamente após a aplicação desta substância. Essa substância foi escolhida
para o estudo da difusão e consumo sob a condição esterilizada;
e)
a contagem de unidades formadoras de colônia após o término do ensaio de
difusão confirma a persistência da esterilização dos solos e da Cinza Grossa com
o formaldeído.
133
6. ENSAIOS DE DIFUSÃO E CONSUMO
6.1. Introdução
Esse capítulo, no seu início, apresenta uma pequena revisão sobre as técnicas de
determinação do coeficiente de difusão com destaque nas soluções analíticas para a
obtenção do mesmo. A metodologia empregada na execução dos ensaios na célula de
difusão, os fatores intervenientes durante a execução do ensaio e a metodologia de
análise para a obtenção do coeficiente de difusão também são apresentados. A técnica
utilizada para a avaliação do consumo também é apresentada.
6.2. Determinação do coeficiente de difusão
No caso específico de transporte em meios porosos os principais mecanismos de
transporte envolvidos são: advecção e difusão. É importante que estes mecanismos
sejam olhados separadamente, pois existe uma diferença nas forças diretrizes que os
governam, e na escala física de espaço e de tempo associada a cada uma delas
(LERMAN, 1979). Conforme apresentado anteriormente, a difusão pode ser
considerada o principal mecanismo de transporte de gases no solo. Sendo o foco desse
trabalho o estudo da difusão de gás no solo e fluxo difusivo do oxigênio como elemento
para redução da drenagem ácida de mina.
ROLSTON (1986a), GLAUZ & ROLSTON (1989), BATTERMAN et al. (1996),
YANFUL (1991, 1993), CABRAL et al. (2000), entre outros, apresentam diferentes
técnicas para a determinação do coeficiente de difusão de gás em laboratório e no
campo.
De acordo com YONG et al. (1992) e SHACKELFORD (1991), o coeficiente de
difusão pode ser obtido sob regime permanente (“steady state” ou estacionário) ou
regime transiente.
O método do regime permanente pressupõe que o equilíbrio químico seja atingido
enquanto as condições de contorno (pressão, umidade e temperatura) são mantidas. Sob
o regime permanente (estacionário) duas condições devem ser satisfeitas em qualquer
ponto do interior do sistema, que são fluxo constante e concentração constante com o
tempo, conforme apresentado nas Equações 6.1 e 6.2 respectivamente.
F = constante (Eq. 6.1)
∂C/∂t = 0 (Eq. 6.2)
134
Onde: F - fluxo de massa ou da espécie química (ML
-2
T
-1
);
C - concentração da espécie química por unidade de volume (ML
-3
);
t - tempo (T).
Os métodos de regime transiente utilizam, em geral, soluções numéricas para a equação
diferencial de advecção-dispersão, ou para a 2
a
Lei de Fick. O fluxo não é constante sob
o regime transiente, mas, pelo princípio de conservação da massa, a variação do fluxo
entre dois pontos quaisquer (x) e (x + ∆x) do sistema deve ser igual à variação com o
tempo da concentração das espécies neste intervalo (2
a
Lei de Fick), desde que não haja
produção ou destruição da espécie dentro do sistema (LERMAN, 1979). Ou seja:
∂C/∂t = - ∂F/∂x (Eq. 6.3)
Segundo SHACKELFORD (1991), existem três formas distintas de ensaios para a
obtenção do coeficiente de difusão sob regime transiente que são: método da coluna,
método da meia célula e método do reservatório duplo.
a) Método da coluna
O ensaio de coluna pode ser realizado à concentração constante ou variável no
reservatório fonte. Para a execução desse ensaio, estabelece-se um fluxo com a
substância de interesse através da amostra e ao longo do tempo analisa-se a
concentração do percolado. Este ensaio permite ainda a determinação da
atenuação/retardamento ou geração da substância de interesse por parte do solo.
Trata-se de um ensaio de curta duração, mas pode tornar-se longo em materiais reativos.
Por impor um fluxo, não obtém o coeficiente de difusão e, sim, o de dispersão
hidrodinâmica (coeficiente de difusão acrescido de uma parcela de dispersão mecânica).
O ensaio reproduz condições em que o sistema de cobertura estaria sujeito ao fluxo
advectivo, tal como a ação de ventos e oscilação de temperatura diária. Destaca-se os
ensaios realizados por IGNATIUS (1999) e MACIEL (2003) utilizando esta
metodologia.
b) Método da meia célula ou reservatório simples
Esse ensaio consiste em moldar uma amostra de solo em uma coluna e fazer com que a
espécie de interesse seja colocada em contato com o solo, com concentração constante
ou variável na fonte. A base do solo deve estar sobre uma superfície impermeável e a
concentração do reservatório fonte e/ou solo é monitorada ao longo do ensaio. O
coeficiente de difusão é determinado a partir do acompanhamento da diminuição da
concentração no reservatório fonte com o tempo ou do perfil de concentração no solo,
no término do ensaio.
Diversos autores utilizaram esta configuração para obtenção do coeficiente de difusão
com destaque para: PAPENDICK & RUNKLES (1965), MACKAY et al. (1998),
SHELP & YANFUL. (2000) e FENG et al. (2002).
Este método do reservatório simples, tal como o do reservatório duplo e ensaio de
coluna, pode ser realizado com a concentração na fonte variando e o monitoramento da
concentração nos poros do solo ou no reservatório fonte com o tempo.
135
c) Método do reservatório duplo
A configuração deste ensaio foi proposta por ROWE et al. (1988) apud
SHACKELFORD (1991) para espécies em solução e é muito semelhante ao ensaio de
coluna diferindo somente que na base do corpo de prova existe um reservatório de
coleta onde a substância que migra acumula com o tempo. O resultado do ensaio pode
ser analisado sob a forma de perfil de concentração no reservatório fonte e no
reservatório de coleta em função do tempo, ou no solo com relação à profundidade e o
tempo.
YANFUL (1993) utiliza o esquema experimental apresentado na Figura 6.1 para
determinar o coeficiente de difusão do oxigênio com massa finita na fonte. Na
configuração experimental utilizada por este autor o corpo de prova com grau de
saturação de 24,5% é colocado entre o reservatório fonte com ar e o coleta com
nitrogênio. A concentração do oxigênio foi monitorada nos reservatórios fonte e coleta
no decorrer do tempo. Conforme apresentado na Figura 6.1b, o ensaio foi concluído
quando a concentração no reservatório fonte e no reservatório de coleta apresentam
valores coincidentes.
Solo
Célula de
Difusão
Sistema de
resfriamento
Data Logger
Medidor de oxigênio
Medidor de oxigênio
Topo Base
CH
#1
CH
#2
8 cm
4 cm
22.5
20.0
15.0
17.5
12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
0.0
0 25 50
75
100 125 150 175
D = 7.6 x 10 m
/s
-6 2
S = 24.4%
BASE
TEMPO (min)
CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO (%)
FONTE
Dados Experimentais
Melhor Ajuste Teórico
Figura 6.1 – Esquema experimental de reservatório duplo (a) e perfil de concentração no
reservatório fonte e base do corpo de prova para saturação de 24,5% (YANFUL, 1993).
(a)
(b)
136
A concentração no tempo para o gás que acumula na base do corpo de prova e que não é
retirado do sistema pode ser expresso pela Equação 6.4 conforme ROWE & BOOKER
(1990) apud YANFUL (1993).
dt
L
tCLf
tLC
t
ca
∫
=
0
),,(
),(
θ
(Eq. 6.4)
Onde: C (L,t) – concentração no reservatório de coleta com o tempo (ML
-3
);
L
c
– altura do reservatório de coleta (L);
L – comprimento do corpo de prova (L);
θ
a
– conteúdo de ar (adimensional);
t – tempo (T).
SALLAM et al. (1984), AUBERTIN et al. (2000), MBONIMPA et al. (2003) e
AACHIB et al. (2004) realizam ensaios da mesma forma que YANFUL (1993). Os três
últimos autores citados analisam a variação da concentração no reservatório com o
tempo, ajustando uma curva teórica obtida com o auxílio do programa POLLUTE aos
dados experimentais de forma a determinar o coeficiente de difusão.
Outros pesquisadores como EVANS (1965) apud ROLSTON (1986a), CABRAL et al
(2000) e TREFRY & PATTERSON (2001) realizam este ensaio de difusão com
concentração constante na fonte. A análise do resultado também pode ser realizada com
auxílio do programa POLLUTE a partir da observação da variação da concentração no
reservatório de coleta.
Segundo ROLSTON (1986a), o gradiente de concentração na amostra de solo pode ser
calculada pela Equação 6.5.
(
)
( )
VL
tDA
CC
CC
s
s
s
−=
−
−
0
ln
(Eq. 6.5)
Onde: C – concentração de gás no reservatório de coleta (ML
-3
);
C
s
– concentração de gás no solo no contato com a atmosfera (ML
-3
);
C
0
– concentração inicial no reservatório de coleta (ML
-3
);
D – coeficiente de difusão efetivo do gás (L
2
T
-1
);
A
s
– área da seção transversal da amostra (L
2
);
V – volume do reservatório (L
3
);
L – comprimento do corpo de prova (L);
t – tempo de ensaio (T).
O ensaio com reservatório duplo e com concentração variável na fonte é
aproximadamente duas vezes mais rápido do que a concentração constante. Este ensaio
permite ainda, pelo balanço de massa, a obtenção da taxa de consumo ou reação. A
desvantagem dos ensaios sob o regime transiente é que o resultado final deve ser
estimado a partir do programa POLLUTE ou a partir de soluções analíticas ou modelos
empíricos. Ensaios com reservatórios simples são mais rápidos principalmente quando o
controle do ensaio é feito a partir de um perfil no solo. No caso da análise do
reservatório fonte, o desconhecimento da concentração inicial no solo aumenta os erros
envolvidos nesta análise.
137
6.2.1.
Modelagem experimental do ensaio de difusão
A difusão do oxigênio no solo e nos rejeitos obedece à primeira lei de Fick, como citado
anteriormente. Segundo ELBERLING et al. (1994), o coeficiente de difusão do
oxigênio no ar a 25
o
C é 1,8 x 10
–5
m
2
/s enquanto que na água é de 2,2 x 10
–9
m
2
/s, ou
seja, aproximadamente quatro ordens de grandeza mais lenta.
Sob condições secas o fluxo difusivo de gás no solo ocorre preferencialmente nos poros
preenchidos por ar. Mas conforme o teor de umidade aumenta, a área da seção
transversal disponível para o fluxo difusivo de gás decresce, resultando na redução do
coeficiente de difusão efetivo, e parte do fluxo ocorre nos poros preenchidos por ar e
outra parcela nos poros preenchidos por água.
A disponibilidade do gás dissolvida na do solo depende da solubilidade do gás na água,
que é descrita pela Lei de Henry que relaciona a concentração de equilíbrio entre as
componentes líquida e gasosa de forma adimensional (H=C
l
/C
g
). Essa constante varia
com a temperatura e a pressão do meio, mas a 20
0
C e na pressão atmosférica apresenta
valor de 0,03, conforme explicado no item 3.3.3.3. Na hipótese de saturação completa, a
transferência do oxigênio ocorre unicamente a partir da difusão molecular do gás que se
solubiliza nos poros preenchidos por água e se movimenta.
Durante o fluxo, o gás pode ser consumido ou gerado por microorganismo ou por
reações químicas com os agregados presentes no solo. Quando se trata de drenagem
ácida de minas, o consumo do oxigênio pelo rejeito contendo pirita pode ser descrito
por uma equação cinética de primeira ordem (λ) para baixas concentrações
(NICHOLSON, 1984 apud NICHOLSON et al., 1989). YANFUL (1993) cita que a
atenuação da difusão por parte dos microorganismos pode ser descrita por uma equação
cinética de primeira ordem tal como da oxidação da pirita. Não existe um termo
definido especificamente para a cinética de reação de primeira ordem, alguns autores
definem como k e outros como λ
Em qualquer profundidade do solo e do rejeito a taxa de variação da concentração do
oxigênio pode ser determinada pela segunda Lei de Fick combinada com o termo de
reação cinética (λ), apresentada na Tabela 6.1. Essa tabela mostra ainda a formulação
matemática descrita por YANFUL (1993), pelo programa POLLUTE v 6.0 e AACHIB
et al. (2004) para a obtenção do coeficiente de difusão e o consumo.
O que se constatou e que foi apresentado no ANEXO I é que existe uma confusão com
relação à terminologia utilizada para o coeficiente de difusão. O presente trabalho vai
empregar a nomenclatura de AACHIB et al. (2004), onde D = θ
eq
D
*
onde, D -
coeficiente de difusão efetivo e D
*
- coeficiente de difusão total e θ
eq
– conteúdo de ar
equivalente (θ
eq
=θ
a
+ Hθ
w
). Para a obtenção da curva teórica com o auxílio do Programa
POLLUTE, os parâmetros D
*
e θ
eq
são inseridos neste programa, e correspondem aos
parâmetros De e n definidos pelo código. Maiores detalhes sobre a definição de
coeficiente de difusão efetivo é apresentado por SHACKELFORD (1991) e no ANEXO
I.
138
Tabela 6.1 - Formulação matemática apresentada por YANFUL (1993), pelo programa POLLUTE v 6.0 e AACHIB et al. (2004) para a obtenção do
coeficiente de difusão.
YANFUL (1993) POLLUTE AACHIB et al. (2004)
1
a
Lei de Fick
t
C
DtF
ea
∂
∂
−=
θ
)(
θ
a
= n (1-S)
t
C
nDtF
e
∂
∂
−=)(
t
C
DtF
eq
∂
∂
−=
*
)(
θ
θ
eq
=
θ
ar
+ H
θ
w
D =
θ
eq
D
*
2
a
Lei de Fick
acrescida do
termo de reação
cinética
KC
z
C
D
t
C
−
∂
∂
=
∂
∂
2
2
C
z
C
nD
t
C
n
e
λ
−
∂
∂
=
∂
∂
2
2
C
z
C
D
t
C
eqeq
λθθ
−
∂
∂
=
∂
∂
2
2
*
Massa finita
igual a massa de
O
2
no ar
∫
=−==
t
t
g
t
dttzF
H
CtzC
0
0
),0(
1
),0(
∫
=−==
t
t
L
t
dtCtzF
H
CtzC
0
0
),,0(
1
),0(
∫
=−==
t
t
L
t
dttzF
H
CtzC
0
0
),0(
1
),0(
Velocidade de
fluxo zero na
base F(z=H
B
)=0
se v = 0 e n = 0
∫
=
==
t
ba
bt
dt
h
tCHbzf
tHzC
0
),,(
),(
θ
∫
=
==
t
bb
bt
dt
hn
tCHbzf
tHzC
0
),,(
),(
∫
=
==
t
beq
bt
dt
h
tCHbzf
tHzC
0
),,(
),(
θ
Onde: Z – profundidade (L);
F – fluxo de massa (ML
-2
T
-1
); S – grau de saturação (adimensional);
θ
a
–
conteúdo de ar
(L
3
L
-3
);
H
g
– altura do gás acima da amostra (L);
n – porosidade total (L
3
L
-3
); H
L
– altura do percolado – oxigênio (L);
θ
eq
– conteúdo de ar equivalente (L
3
L
-3
);
H
B
– altura de solo (L);
D – coeficiente de difusão efetivo (L
2
T
-1
);
hB
– espaço vazio abaixo do solo (L);
D
*
- coeficiente de difusão total (L
2
T
-1
); n
B
– poros preenchidos por ar;
C – concentração (ML
-3
); K – taxa de reação de primeira ordem.
t - tempo (T);
139
Durante os ensaios de difusão e após a estabilização observa-se em alguns casos o
decréscimo da concentração nos reservatórios de coleta e fonte. A cinética da
decomposição baseia-se na taxa de reação que pode ser expressa como uma função da
concentração de substrato que está sendo degradado e pode ocorrer no solo e/ou resíduo
na fonte e na base da célula de difusão. A ordem da reação é o expoente usado para
descrever a reação.
A Equação 6.6 apresenta uma formulação de ordem n, onde C
o
é a concentração inicial
do reagente, e C a concentração do reagente decorrido em tempo t de reação, e dC/dt é a
variação da concentração no tempo. Neste caso, a reação é determinada por outros
fatores que não são a concentração.
n
C.k
dt
dC
−=
(Eq. 6.6)
Se n = 0 a reação é dita de ordem zero e a variação da concentração no tempo é
constante atendendo a um modelo linear, conforme apresentado na Equação 6.7 e
reescrito na Equação 6.8
k
dt
dC
−=
(Eq. 6.7)
t.kCC
o
−
=
(Eq. 6.8)
Nos casos de n = 1, a reação é de ordem um ou de primeira ordem, conforme
apresentada nas Equações 6.9 e 6.10 para um meio homogêneo. Na reação de primeira
ordem a transformação é proporcional à concentração. No caso dos ensaios, como a
concentração máxima está no início do ensaio, a mesma diminui com o tempo, e a
velocidade de decomposição é decrescente. A constante k, em termos práticos,
constitui-se em uma forma de comparar-se a degradabilidade de matérias orgânicos e
resíduos. Essa constante k é a descrita pelo POLLUTE v.6 para o decaimento radiativo e
biológico de espécies químicas sendo designada de λ neste programa e corresponde ao
termo de reação cinética. Por meio da constante k ou λ é possível calcular a meia vida
do material estudado de acordo com a Equação 6.11 e empregado na Tabela 6.1.
.
C
dt
dC
.
λ
−=
(Eq. 6.9)
t
oo
eCCtCC
⋅−
⋅=∴⋅−=
λ
λ
lnln
(Eq. 6.10)
2/1
2ln
t
=
λ
(Eq. 6.11)
Já quando n = 2, a reação é dita de ordem dois ou de segunda ordem e pode ser escrita
da seguinte forma (Equação 6.12)
tC
C
Ct
CC
o
o
o
⋅⋅+
=∴⋅+=
λ
λ
1
11
(Eq. 6.12)
140
Medindo-se, durante um experimento, os valores de
C
em diferentes instantes t serão
obtidos os gráficos esquematicamente representados na Figura 6.2.
Figura 6.2 - Variação da concentração do reagente (
C
) em função do tempo (
t
) para três valores
da ordem da reação (
n
) conforme apresentado por BORZANI (2006).
A matéria orgânica é um sistema complexo, formado via de regra por uma gama de
compostos orgânicos diferentes, constituindo diferentes compartimentos, aos quais se
pode atribuir velocidades de degradação diferenciadas. Nesse sentido, pode-se adotar
um modelo estendido de cinética de primeira ordem considerando-se mais de uma fase
de degradação conforme descrito por FIRME (2005). Por exemplo, a decomposição
aeróbia da palha de arroz é de 0,1296 h
-1
na primeira fase e 0,0312 h
-1
na segunda fase,
em condições anaeróbias os valores são de 0,0576 e 0,0072 h
-1
respectivamente para as
fases 1 e 2.
ELBERLING
et al.
(1994) apresenta ensaios cinéticos para a determinação da taxa de
oxidação e geração de acidez em resíduos ricos em pirita. Os ensaios propostos são os
seguintes:
•
Método do gradiente de oxigênio – estima-se o fluxo de oxigênio pela lei de
Fick em relação à superfície do solo. O autor afirma que este fluxo deve ser
igual ao consumo de oxigênio em uma coluna em regime estacionário. O fluxo
pode ser relacionado à taxa de oxidação do mineral sulfetado por conservação de
massa;
•
Método do consumo de oxigênio – determinar a taxa de oxidação a partir do
monitoramento do decréscimo de concentração de oxigênio em uma câmara de
volume conhecido em contato com o rejeito (BUSSIÈRE
et al.
, 2004,
MBONIMPA
et al.
2003 e CABRAL
et al.
, 2000).
•
Método da produção de sulfato – estimar a taxa de oxidação baseada na
concentração de sulfato produzido na água intersticial dos rejeitos e cálculos
estequiométricos. A velocidade intrínseca de oxidação é obtida a partir da
estequiometria da reação do tipo de sulfeto presente (BUSSIÈRE
et al.
, 2004 e
BORMA, 1998).
Para interpretar os ensaios optou-se pela metodologia do consumo descrita acima que se
aplica a oxidação da pirita contida no rejeito e a matéria orgânica, conforme descrito por
FIRME (2005). Esta técnica de determinação do consumo foi utilizada por outros
autores para estas duas finalidades.
Na técnica de consumo, se o material for colocado sobre uma superfície e em contato
com um volume de oxigênio, gradativamente a concentração desse gás no volume de
referência irá decrescer devido ao consumo. ELBERLING
et al.
(1994) propõem uma
Equação de continuidade 6.13 para descrever o consumo.
141
( )
2/1
0
kDAC
dt
dC
V
t
=
(Eq. 6.13)
Onde : A – área de contato com o material que se deseja determinar o consumo (L
2
);
V – Volume de gás no reservatório em contato com o material (L
3
);
D
– Coeficiente de difusão efetivo (L
2
T);
C
0
– Concentração inicial do gás no reservatório( ML
3
);
C
t
– concentração em função do tempo (ML
-3
);
k – taxa de reação do material (T
-1
).
Considerando que na condição inicial C=C
0
e t=0, a solução é a seguinte:
( )
V
A
kDt
C
C
t
2.1
0
ln
−=
(Eq. 6.14)
O coeficiente angular da curva obtida pela relação C
t
/C
0
com o tempo fornece o valor de
(kD)
1/2
quando a relação A/V é conhecida. Se o coeficiente de difusão for conhecido a
taxa de reação se torna conhecida também.
Cada ensaio realizado teve o seu coeficiente de difusão total determinado pelo ajuste da
curva de concentração obtido no programa POLLUTE com os dados experimentais.
Nos ensaios em que foi observado decréscimo da concentração no reservatório com o
tempo foi utilizado o módulo de decaimento radiativo ou biológico. Uma breve
descrição das condições de entrada estabelecidas para a determinação da curva de ajuste
encontra-se apresentada na Tabela 6.2.
Tabela 6.2 – Dados de entrada utilizados para a obtenção da curva de ajuste utilizando o
programa POLLUTE para o ensaio de concentração variável (massa finita) ou constante na
fonte.
Massa Finita Concentração Constante
Dados do Depósito Definir 2 camadas
Demais itens manter a configuração
Idem Massa Finita
Dados da Camada Camada 1 – altura do corpo de
prova, ρs e n = θeq do corpo de
prova moldado; estimar D
*
; manter o
restante.
Camada 2 – alterar a altura do corpo
de prova para a altura corrigida* do
reservatório coleta e n=1
Idem Massa Finita
Condições de Contorno Topo – Massa finita e Base – Zero
Fluxo
Indicar a concentração inicial no
reservatório normalizada e altura
corrigida* do reservatório fonte
Demais itens manter a configuração
Topo – Concentração Constante e
Base – Zero Fluxo
Concentração inicial no reservatório
normalizada
*
Demais itens manter a configuração
Condições Especiais Decaimento radiativo no solo
Perfil de concentração
Idem Massa Finita
Calculo da Concentração Definir o número de tempos em
relação a duração do ensaio (mínimo
10 pontos)
Idem Massa Finita
* - vide item 6.3.4.3.
142
As simulações foram realizadas com concentração normalizada, ou seja, a concentração
medida dividida pela concentração do gás no ar, que no caso do ensaio foi o oxigênio
medido no ar pelo sensor antes do início do ensaio.
O perfil de concentração no solo para as simulações precisou ser definido em função do
grau de saturação. Onde para saturações variando de 0 a 0,6 a concentração no solo foi
estimada como sendo igual à concentração no reservatório de coleta; para saturações
entre 0,6 e 0,9 o perfil de concentração no solo foi definido utilizando a concentração do
reservatório fonte e coleta; e para saturação superior a 0,9 a concentração no solo foi
considerada igual à concentração do ar.
6.2.2.
Soluções analíticas para determinação da difusão
Ao longo de várias décadas modelos empíricos têm sido desenvolvidos no intuito de
prever a difusão de gases no solo. Alguns grupos de modelos propõem simplificações
que relacionam:
a) o conteúdo de ar no solo e a difusão com ajustes lineares e exponenciais
(BUCKINGHAM, 1904
apud
PENMAN, 1940a; PENMAN, 1940b;
NICHOLSON, 1991
apud
SWANSON, 1995);
b) o conteúdo de ar no solo e a porosidade total com a difusão com ajustes
exponenciais (MILLIGNTON, 1959, MILLINGTON & QUIRK, 1961, TROEH
et al.
, 1982, SALLAM
et al.
, 1984; COLLIN & RASMUSON, 1988)
considerando ou não a distribuição dos poros;
c) e os que incluem o efeito do tipo de solo utilizando ou não a curva
característica (MOLDRUP
et al.
, 1996; MILLINGTON & SHEARER, 1971);
d) os que consideram a difusão do gás a partir dos poros preenchidos por ar e
água (MILLINGTON & SHEARER, 1971, COLLIN, 1987
apud
COLLIN &
RASMUSON, 1988, NICHOLSON, 1991, ELBERLING
et al
. 1994, AACHIB
et al.,
2004).
A Tabela 6.3 apresenta algumas das relações empíricas desenvolvidas ao longo dos anos
para a previsão do coeficiente de difusão de gás em solos.
143
Tabela 6.3 – Equações empíricas desenvolvidas para a previsão do coeficiente de difusão de gás no solo.
AUTOR (ANO) CONSIDERAÇÕES EQUAÇÃO
PENMAN (1940b) Que a redução da taxa de difusão no meio poroso ocorre devido à redução da seção transversal
disponível para o movimento do gás e pela natureza tortuosa dos canais que estas moléculas
percorrem. Para modelar a redução da seção transversal para solos com porosidade variando de 0
a 0,7 propõe a adição da constante 0,66.
D/D
0
= θ
a
(L/Le)
D/D
0
= 0,66 θ
a
→ 0<n<0.7
TAYLOR (1949) apud
TROEH et al. (1982)
Reconhece também que sólidos e líquidos em meios porosos atuam como obstrução à difusão.O
coeficiente de difusão relativo é fornecido pelo produto da porosidade com o fator de
tortuosidade. Onde n é a porosidade total e τ é o fator de tortuosidade.
D/D
0
= n (L/L
e
)
2
τ = L/L
e
– o caminho tortuoso não pode ser medido.
D/D
0
= n τ
2
MARSHALL (1959) apud
MOLDRUP et al. (2001)
Substitui a constante 0,66 da equação de PENMAN por α que é função: da viscosidade do fluido;
da área da seção transversal disponível ao fluxo e a velocidade do fluido. E sugere que o
parâmetro definido corresponda à raiz quadrada do conteúdo de ar presente no solo.
D/D
0
= αθ
a
α = θ
a
1/2
D/D
0
= θ
a
3/2
MILLINGTON (1959) Que a área disponível para que o fluxo de gás ocorra, depende dos poros preenchidos por gás, e
apresenta a equação para modelar o fluxo de gás em solo seco e úmido sob regime de fluxo
estacionário.
D/D
0
= θ
a
4/3
- para o solo seco
D/D
0
= (θ
a
/n)
2
θ
a
4/3
– para solo úmido
CURRIE (1960b) Propõe relação empírica para a obtenção do coeficiente de difusão a partir do gráfico D/D
0
versus
fluxo de gás (f
a
). Propõe duas constantes, onde a constante c varia de 0,8 a 1,0 em função da
porosidade do material e a constante d deve apresentar um valor inferior a relação log (D
0
/D)/log
θ
a
. A equação apresentada por este autor não difere da de Penman (1940b) onde c = 0,66 e d = 1,
nem a de Marshall (1959) onde c = 1 e d = 3/2, entre outros. O autor afirma que a equação não é
válida para solos úmidos porque a geometria do poro se altera.
D/D
0
= cθ
a
d
MILLINGTON & QUIRK
(1960) apud JIN & JURY
(1996)
Inclui o efeito do tipo de solo na forma da porosidade total (n).
D/D
0
= θ
a
2
/n
2/3
MILLINGTON & QUIRK
(1961)
Esta equação foi desenvolvida para solos remoldados e inclui o efeito do tipo de solo na forma da
porosidade total.
D/D
0
= θ
a
10/3
/n
2
MILLINGTON &
SHEARER (1971)
Consideram que a área do agregado A
ag
acrescida da porosidade entre os agregados (A
entre
) e intra
agregado (A
intra
) é igual a 1, e que a difusão no agregado é restrita quando está saturada por água.
Propõem uma equação de difusão de gás no solo estruturado e não estruturado. Onde n é a
porosidade total e S é o grau de saturação do solo. Esta equação foi desenvolvida supondo que o
solo é composto por esferas e que os poros são esféricos.
( ) ( )
x
SnS
D
D
22
0
1 −−=
- solo não estruturado
( ) ( )
[ ]
x
SnS
D
D
22
0
11 −−=
- solo estruturado
(
)
x
x
nn −−= 11
2
(
)
[
]
(
)
[
]
1111
2
=−−+−
xx
SnSn
PAPENDICK &
CAMPBELL (1980) apud
OLESEN et al. (1996)
O modelo assume que o espaço do poro encontra-se interconectado e que este varia de ponto para
ponto em função do teor de umidade. Onde k – é uma constante adimensional e θ
w
– teor de
umidade volumétrica.
3
0
w
k
D
D
θ
=
144
TROEH et al. (1982) Modelam a condição em que a difusão caminha para zero devido à interconexão dos poros
preenchidos por água em elevados teores de umidade. Propõem relação empírica entre D/D
0
e os
conteúdo de ar (θ
a
). Onde u e v são constantes empíricas adimensionais e determinadas
experimentalmente. O denominador desta equação representa a relação entre os poros bloqueados
e a porosidade.
(
)
( )
v
a
u
u
D
D
−
−
=
1
0
θ
COLLIN (1987) apud
CABRAL et al. (2000)
Propõem modelo para estimar o coeficiente de difusão de gás em meio poroso, a partir de dados
experimentais em solos sob diferentes graus de saturação. Propõem modificação na equação de
MILLINGTON & SHEARER (1971) para elevados graus de saturação. Onde θ
a
– conteúdo de
ar, D
va
- coeficiente de difusão efetivo do gás no solo próximo a saturação, S - área superficial
disponível para o fluxo (S = θ
w
/θ
a
).
( ) ( )
[ ]
x
a
va
SS
D
D
22
0
11 −−=
θ
(
)
[
]
(
)
[
]
1111
2
=−−+−
x
a
x
a
SS
θθ
COLLIN & RASMUSON
(1988)
Propõe um modelo que considera além da difusão do gás nos poros preenchidos por ar, a sua
migração nos poros preenchidos por água a partir da inclusão do termo referente ao fluxo do gás
na água à equação de MILLINGTON & SHEARER (1971). Onde H é a constante de solubilidade
do gás fornecida pela relação H=C
l
/C
g
sendo C
l
a concentração do oxigênio na água, C
g
a
concentração do oxigênio no ar em condições normais de temperatura e pressão, e D
0-ar
e D
0-w
são
os coeficientes de difusão do gás no ar e na água, n porosidade total, S grau de saturação e x
a
e x
w
constantes.
(
)
(
)
[
]
(
)
xw
w
xa
ar
nSSHDSnSDD
2
2
0
22
0
11
−−
+−−=
(
)
[
]
(
)
[
]
1111
2
=−−+−
xaxa
SnSn
(
)
(
)
11
2
=−+
xwxw
nSnS
NICHOLSON (1991) Apresenta equação para determinação do coeficiente de difusão de um gás no solo como função
do grau de saturação – S e α e β constantes (adimensionais) obtidas a partir de regressão não
linear. Onde D
0-ar
– coeficiente de difusão do gás no ar e D
0-w
– coeficiente de difusão do gás na
água.
war
DSDD
−−
+−=
00
)1(
ββ
α
YANFUL (1991) Afirma que a relação entre o coeficiente de difusão do gás e o coeficiente de difusão efetivo do
gás pode ser expresso pelo termo difusividade (Q). VAN BREKEL & HEERTJES (1974)
definem difusividade em função da tortuosidade (τ), da variação da seção transversal do canal
disponível ao fluxo (δ) e conteúdo de ar (θ
a
).
(
)
2
0
τ
δ
θ
a
Q
D
D
==
ELBERLING et al. (1994)
Apresenta equação para determinação do coeficiente de difusão de um gás no solo como função
do grau de saturação modificado de DAVID (1993). Onde S – grau de saturação e α e τ-
constantes (adimensionais) obtidas a partir de regressão não linear, H – constante de solubilidade
do gás, D
0-ar
– coeficiente de difusão do gás no ar e D
0-w
– coeficiente de difusão do gás na água.
Onde τ= 0.273±0.08 e α =3.26±0.04
(
)
war
SDHSDD
−−
+−=
00
1
ττ
α
RENAULT & SIERRA
(1994)
Modificaram a equação de COLLIN & RASMUSON (1988) considerando que o fluxo de gás por
difusão ocorre também nos poros intra agregados. Onde: D
0-ar
– coeficiente de difusão do gás no
ar, D
0-w
– coeficiente de difusão do gás na água, D
vw
– coeficiente de difusão do gás na água do
solo, D
va
– coeficiente de difusão do gás no ar do solo, D – coeficiente de difusão do gás no ar e
na água
S – área superficial disponível para o fluxo, H – solubilidade do oxigênio na água.
1
00
0
00
=
−−
−
−−
+=
s
w
vw
ar
w
ar
va
ar
D
D
D
D
SH
D
D
D
D
0
0
1
0
=
−
=
−
=
S
g
va
S
w
vw
D
D
D
D
145
MOLDRUP et al. (1996)
Implementa a equação de CAMPBELL (1974) desenvolvida para modelar a curva característica,
transformando-a para previsão da difusão de gás no meio não saturado considerando a equação de
MILLINGTON & QUIRK (1961). Onde o expoente 3/2 pode ser considerado uma parcela da
tortuosidade e 3/b fator referente à liberação de água pelo solo e b corresponde à inclinação da
curva característica (log-log) e depende da textura do solo.
b
a
n
n
D
D
3
2
3
3/4
0
+
=
θ
MOLDRUP et al. (1999)
apud FENG et al. (2002)
Implementa a equação de CAMPBELL (1974) e BURDINE (1953) para modelar a curva
característica para calcular o coeficiente de difusão em solos naturais.
2/3
0
3
2
n
D
D
b
a
+
=
θ
WEERTS et al. (2000) Consideram a influência da geometria do poro no coeficiente de difusão em função da umidade.
WEERTS et al. (2000) apresentam modelo conceitual que considera a influência da geometria do
poro para predizer o coeficiente de difusão em função da umidade. O modelo proposto trata-se da
adaptação do modelo de MUALEM & FRIEDMAN (1991) para a previsão da condutividade
elétrica em solos. Onde S
w
– grau de saturação relativa à água, ψ - sucção total e θ
a,c
– vazios
conectados preenchidos por ar.
∫ ∫
∫ ∫
−
−
=
+
1
0 0
22
2
1
0 0
1
,
0
11
11
Sw
ww
Sw
ww
n
ca
dSdS
dSdS
D
D
g
ψψ
ψψ
θ
MOLDRUP et al. (2000a) MOLDRUP et al., (2000a) desenvolveram modelos para avaliar a difusão de gás em solos
naturais e compactados com umidades variadas, os parâmetros considerados nos modelos são
grau de saturação e porosidade total do solo. A equação foi desenvolvida para o cálculo do
coeficiente de difusão para solos deformados ou remoldados em diferentes conteúdos de água e
porosidade, a partir da introdução do termo θ
a
/n , onde θ
a
= n nos solos secos nas equações de
PENMAN (1940b), MARSHALL (1959) e MILLINGTON (1959).
D/D
0
= θ
a
3/2
(θ
a
/n) – Marshall
D/D
0
= 0,66θ
a
(θ
a
/n) - Penman
D/D
0
= θ
a
3/2
(θ
a
/n) – Millington
MOLDRUP et al. (2000b) Consideram que o tamanho dos poros influencia na umidade, e por isso apresentam a equação
com a inclusão da sucção mátrica correspondente a -100 cm coluna de água. A equação foi
desenvolvida a partir do ajuste de diferentes solos (total de 723 determinações de coeficiente de
difusão em 126 solos) no gráfico D/D
0
versus
θ
a
. Onde D
100
e θ
a 100
correspondem ao coeficiente
de difusão e conteúdo de ar na sucção de -100 cm coluna de água e D
0
o coeficiente de difusão
do gás no ar. A equação proposta para a difusão é incluída na equação de CAMPBELL (1974) –
BURDINE (1953) desenvolvida para a permeabilidade a água, de forma a obter uma equação de
difusão de gás baseada na curva característica.
100
3
100
0
100
04,02
−−
+=
aa
D
D
θθ
( )
b
a
a
aa
D
D
/32
100
100
3
100
0
100
04,02
+
−
−−
+=
θ
θ
θθ
AACHIB et al. (2004) Modificam a equação proposta por COLLIN & RASMUSON (1988) alterando o termo
tortuosidade considerando a equação de MILLINGTON & SHEARER (1971) ou ELBERLING
et al. (1994). Apresentam assim, um modelo que considera a difusão no ar e na água.
wa
HDDD
+
=
0
wwww
DD
τθ
=
0
aaaa
DD
τθ
=
146
BATTERMAN et al. (1996) e AACHIB et al. (2004) afirmam que estudos teóricos
(TROEH et al., 1982) e experimentais (MILLINGTON, 1959, MILLINGTON &
QUIRK, 1961, PENMAN, 1940b, entre outros) para a previsão do coeficiente de
difusão efetivo de um gás em meio poroso depende: da porosidade total, conteúdo de ar,
teor de umidade volumétrica, grau de saturação, da geometria do poro ou tortuosidade,
textura, estrutura, trincas, interconectividade dos poros preenchidos por ar com relação à
feições macroscópicas. Já com relação à feições microscópicas pode-se citar superfície
específica, microporos (poros no interior dos agregados), disponibilidade de material
orgânico e inorgânico à sorção e características do gás (solubilidade, coeficiente de
partição, densidade de vapor, temperatura, pressão e constante de Henry).
AACHIB et al. (2004) e BATTERMAN et al. (1996) afirmam que tanto nos estudos
teóricos (TROEH et al., 1982) quanto nos experimentais (MILLINGTON, 1959,
MILLINGTON & QUIRK, 1961, PENMAN, 1940b, entre outros) é extremamente
difícil medir os fatores que afetam o coeficiente de difusão efetivo de forma individual,
e a simples correlação entre o coeficiente de difusão em solução livre e o medido em
laboratório mostra a influência destes fatores refletido no parâmetro tortuosidade.
WEERTS et al. (2001), FREIJER (1994) apud MOLDRUP et al. (1996) e TROEH et
al. (1982) afirmam que dados de difusão obtidos em laboratório podem ser aplicados em
modelos empíricos para previsão do coeficiente de difusão efetivo de outros solos. As
equações empíricas mais usadas são y = a(x + b) ou y = ax
b
ou y= ae
bx
, conforme pode
se observar uma série de parâmetros empíricos podem ser obtidos por ajuste de dados
experimentais. Desta forma, o valor do parâmetro ajustado quase sempre encontra-se
limitado ao estudo desenvolvido.
Segundo JIN & JURY (1996) e MOLDRUP et al. (2000a), os modelos mais usados
para a previsão do coeficiente de difusão efetivo são PENMAN (1940b),
MILLINGTON (1959) e MILLINGTON & QUIRK (1960, 1961).
PAPENDICK & RUNKLES (1965) afirmam que as equações empíricas que consideram
a porosidade modelam bem o coeficiente de difusão efetivo em solos inertes (compostos
por bolas de vidro) secos ou úmidos. Já nos solos naturais isto não ocorre, e os valores
medidos são menores do que nos solos inertes para a mesma porosidade. O autor
levanta três fatores que podem provocar isto: a) mudança na forma do poro quando este
sofre secagem, que pode levar à redução do fluxo por difusão; b) consumo do oxigênio
por processos químicos ou biológicos que ocorrem durante a determinação do
coeficiente de difusão no solo natural; c) efeitos de dissolução do oxigênio na água do
solo e /ou adsorção do gás à superfície da partícula. Segundo o mesmo autor, a primeira
e a segunda hipótese podem influenciar com maior intensidade o valor do coeficiente de
difusão.
6.2.3.
Comparação entre modelos analíticos
Dos modelos analíticos apresentados optou-se por empregar os seguintes:
147
a) modelos de ajuste linear, logarítimico e exponencial para o cálculo da
difusividade
Nesse estudo a difusividade (D/D
0
) foi determinada pelo emprego dos modelos
apresentados na Tabela 6.4, onde os coeficientes de cada modelo foi determinado pela
regressão linear e não linear dos dados experimentais.
Tabela 6.4 – Modelos Lineares e Não Lineares empíricos de ajuste dos dados experimentais
com relação à difusividade.
Modelo Equação
Linear
( )
ba
D
D
a
−=
θ
0
Potência
( )
b
a
a
D
D
θ
=
0
Exponencial
b
a
ae
D
D
θ
=
0
TROEH et al. (1982)
(
)
( )
v
a
u
u
D
D
−
−
=
1
0
θ
b) modelos propostos na literatura
Dos modelos listados na Tabela 6.3 optou-se por estudar os modelos que não
consideram o fluxo de gás na água do solo, como os de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960) e MILLINGTON & QUIRK (1961). E modelos
como COLLIN & RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING et al.
(1994) que consideram o fluxo nos dos meios, líquido e gasoso.
A maioria dos modelos que consideram o fluxo de gás nos poros preenchidos por ar
pode ser expressa da seguinte forma:
aaara
DDD
θ
τ
−
=
=
0
(Eq. 6.15)
Onde: D
ar
– coeficiente de difusão efetivo do gás no ar (L
2
T
-1
);
D
0-ar
– coeficiente de difusão do gás no ar (L
2
T
-1
);
τ
a
– fator de tortuosidade do gás no ar (adimensional - L
3
.L
-3
);
θ
a
– conteúdo de ar (adimensional - L
3
.L
-3
).
Várias expressões podem ser escritas para τa quando se observa a Tabela 6.3, como por
exemplo:
τ
a
= 0,66 para PENMAN (1940b) (Eq. 6.16)
τ
a
= θa/(n
2/3
) para MILLINGTON & QUIRK (1960) (Eq. 6.17)
τ
a
= (θa
7/3
)/(n
2
) para MILLINGTON & QUIRK (1961) (Eq. 6.18)
Observando a equação proposta por PENMAN (1940b), esta considera somente o
conteúdo de ar, e o autor assume uma constante com o valor de 0,66 que corresponderia
ao coeficiente de tortuosidade.
148
Já MILLINGTON & QUIRK (1960) desenvolvem uma equação empírica para solos
naturais e consideram o parâmetro conteúdo de ar e a razão θ
a
/(n
2/3
) correspondente à
tortuosidade. MILLINGTON & QUIRK (1961) propõem uma nova equação para solos
remoldados, considerando o conteúdo de ar e a razão (θ
a
)
7/3
/(n
2
).
Os modelos de dois componentes consideram que o gás pode migrar pelas componentes
ar e água no meio não saturado e a equação do coeficiente de difusão pode ser escrita da
seguinte forma (Equação 6.19):
D = D
a
+ HD
w
(Eq. 6.19)
Onde: H – é a constante de solubilidade de um gás na água (adimensional);
D
w
– é o coeficiente de difusão do gás na água do solo, que pode ser escrita da
forma apresentada na Eq. 6. 20, que é similar à Equação 6.8 para o coeficiente
de difusão do gás no ar
wwww
DD
θ
τ
−
=
0
(Eq. 6.20)
Onde: D
0
-
w
– coeficiente de difusão do gás na água (L
2
T
-1
);
τ
w
- fator de tortuosidade do gás na água (adimensional - L
3
.L
-3
)
O valor do coeficiente de tortuosidade depende da porosidade, conectividade e forma
dos canais. Os coeficientes τ
a
e τ
w
podem ser descritos por várias equações, de acordo
com os autores conforme pode ser observado na Tabela 6.3.
( )
11
2
2
12
=−+
⇒
=
+
x
a
x
a
x
a
a
n
θθ
θ
τ
( )
11
2
2
12
=−+
⇒
=
+
y
w
y
w
y
w
w
n
θθ
θ
τ
w
w
a
a
H
e
n
θ
β
τ
θ
βτ
α
α
==
−
1
NICHOLSON (1991)
1
1
−
−
==
xe
xe
a
aw
n
e
n
θ
ττ
τ
τ
ELBERLING
et al.
(1994)
O coeficiente de difusão efetivo, segundo COLLIN & RASMUSON (1988), pode ser
estimado a partir do conhecimento do grau de saturação, da porosidade e do coeficiente
de difusão do gás no ar. Esses autores modificaram a equação de MILLINGTON &
SHEARER (1971) que modela bem o coeficiente de difusão em solos com baixo grau
de saturação a partir da inclusão de uma parcela referente ao fluxo difusivo no ar.
NICHOLSON (1991) considera que o fluxo depende do grau de saturação, e define uma
parcela de fluxo pela água e duas constantes que são obtidas por regressão não linear
dos dados experimentais. O modelo SOILCOVER sugere que seja adotado o valor
α
=
3,28 e
β
= 0,273, caso não sejam obtidos pelo determinado a partir da regressão não
linear dos dados experimentais.
COLLIN & RASMUSON
(1988)
(Eq. 6.21)
(Eq. 6.22)
(Eq. 6.23 e 24)
(Eq. 6.25 e 26)
149
A equação de ELBERLING
et al.
(1994) é muito semelhante à de NICHOLSON
(1991), onde o primeiro termo da equação é idêntico, sendo possível a substituição da
constante
β
por
τ
, e no segundo membro são adicionados a constante de solubilidade do
gás na água (H) e o grau de saturação. ELBERLING
et al.
(1994) sugerem os valores de
τ
= 0.273
±
0.08 e
α
=3.26
±
0.04 ajustados por regressão não linear, valores esses muito
semelhantes aos sugeridos por NICHOLSON (1991).
Para o entendimento de como os modelos variam em função da porosidade, procedeu-se
a elaboração de curvas teóricas utilizando os modelos acima descritos. A Figura 6.3
apresenta as curvas teóricas obtidas em gráficos de grau de saturação
versus
coeficiente
de difusão efetivo calculados para porosidade de 0,4, 0,5 e 0,6. Para o cálculo do ajuste
de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), utilizou-se os valores sugeridos
pelos autores.
Os modelos MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN & RASMUSON (1988),
NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) apresentam ajustes semelhantes e
subestimados quando comparados com o ajuste de MILLINGTON & QUIRK (1960) e
PENMAN (1940b).
A Figura 6.4 compara a variação na curva teórica em função da variação da porosidade
para os diversos modelos apresentados.
Conforme diminui a porosidade diminui o coeficiente de difusão efetivo do solo (D),
onde para saturações acima de 95% os valores de D tendem a se igualar independente
da porosidade do material. Dos modelos apresentados, os modelos de NICHOLSON
(1991) e ELBERLING
et al.
(1994) a influência da porosidade está embutida nos
parâmetros de ajuste.
Com relação aos valores com grau de saturação igual a 1, NICHOLSON (1991),
ELBERLING
et al.
(1994) e COLLIN & RASMUSON (1988) apresentam coeficiente
de difusão de aproximadamente 3 x10
-11
m
2
/s apresentando um ponto de inflexão na
curva. Já MILLINGTON & QUIRK (1960) não apresentam o ponto de inflexão, mas no
grau de saturação igual a 1 o coeficiente de difusão é da ordem de 5 x10
-12
m
2
/s, ou seja,
subestimadados. Nos ajustes de PENMAN (1940b) e MILLINGTON & QUIRK (1961)
o valor do coeficiente de difusão efetivo é inferior a 5 x10
-12
m
2
/s no solo saturado.
150
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
n = 0.5
(a)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
n = 0.4
(b)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1987)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
n = 0.3
(c)
Figura 6.3 – Curvas teóricas obtidas para os modelos empíricos, agrupados por porosidade em
a) porosidade de 0,5, b) porosidade de 0,4 e c) porosidade de 0,3.
151
Penman (1940)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5
n= 0.4
n= 0.3
Millington-Quirk (1960)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5
n= 0.4
n= 0.3
Millington-Quirk (1961)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5
n= 0.4
n= 0.3
Collin-Rasmuson (1988)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5
n= 0.4
n= 0.3
Nicholson (1991)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5, 0.4, 0.3
Elberling et al. (1994)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5, 0.4 e 0.3
Figura 6.4 – Curvas teóricas obtidas para os modelos empíricos estudados em diferentes
porosidades.
Na Figura 6.5 é possível observar as curvas porosidade
versus
coeficiente de difusão
efetivo. Essa figura foi elaborada para investigar a influência da porosidade na condição
seca, parcialmente saturada e próxima à saturação.
152
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Porosidade (n)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Porosidade (n)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Porosidade (n)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(c)
Figura 6.5 - Curvas teóricas porosidade
versus
coeficiente de difusão em três graus de
saturação distintos: a) S = 0,0, b) S= 0,5 e c) S = 0,9.
Os modelos preditivos de MILLINGTON & QUIRK (1960) e PENMAN (1940b)
apresentam uma variação muito pequena para S = 0, S = 0,5 e S = 0,9. O modelo de
MILLINGTON & QUIRK (1961) apresenta para n=1 e S = 0 valor semelhante ao
encontrado para NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), e quando
comparado aos demais modelos é o que apresenta o menor valor de ajuste de coeficiente
de difusão efetivo para o solo seco independente da porosidade.
O modelo que sofre maior influência com relação à variação do grau de saturação é o de
COLLIN & RASMUSON (1988). Para S = 0 apresenta os valores mais altos de
coeficiente de difusão, mas conforme o grau de saturação aumenta o coeficiente de
difusão cai. Quando atinge a saturação de 50% esse modelo apresenta os menores
valores de coeficientes de difusão, diferindo dos demais modelos, em aproximadamente
meia ordem de grandeza na faixa de porosidade de 0,1 a 1, e se aproxima dos demais
ajustes quando n < 0,1. Para S = 0,9 o coeficiente de difusão obtido é quase três ordens
de grandeza menor do que os demais modelos.
Como observado nas Figuras 6.3 e 6.4 o ajuste segundo o modelo de NICHOLSON
(1991) e ELBERLING
et al
. (1994) não variam com a porosidade, apresentando assim
valor constante e aproximado de 5x10
-6
m
2
/s para S = 0, 5x10
-7
m
2
/s para S = 0,5 e
3x10
-9
m
2
/s para S = 0,9. Isso ocorre porque os parâmetros de ajuste utilizados para o
calculo foram definidos pelo autor onde a porosidade está implícita neste parâmetro.
153
Para avaliar a influência da adição da parcela referente à difusão na água elaborou-se a
Figura 6.6, onde são apresentadas as curvas teóricas para COLLIN & RASMUSON
(1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), excluindo o fator
multiplicador da constante de Henry’s na parcela do fluxo da água (exceto
NICHOLSON, 1991 que não apresenta essa constante em sua formulação) e excluindo a
parcela de fluxo difusivo pela água para uma porosidade de 0.5.
Collin-Rasmuson (1988)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5 - ar+ água
n= 0.5 - ar+ água sem H
n= 0.5 - ar
Água
Ar
Nicholson (1991)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5 - ar+ água
n= 0.5 - ar
Água
Ar
Elberling et al. (1994)
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
n= 0.5 - ar+ água
n= 0.5 - ar+ água sem H
n= 0.5 - ar
Água
Ar
Figura 6.6 - Curvas teóricas para uma porosidade de 0,5 comparando a situação com e sem a
parcela do fluxo difusivo do gás na água nos modelos de COLLIN & RASMUSON (1988),
NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994).
A colocação do termo difusivo com a constante de solubilidade confere um limite final
do coeficiente de difusão com valores de aproximadamente 3 x 10
-11
m
2
/s, já quando se
exclui totalmente a parcela referente ao fluxo na água, o valor do coeficiente de difusão
aumenta para aproximadamente 7 x 10
-10
m
2
/s onde o valor da saturação em que ocorre
a modificação do parâmetro difere entre os modelos analisados. Quando a parcela do
fluxo difusivo pela água é excluído o valor do coeficiente de difusão tende a zero. Isso
ocorre porque, conforme o grau de saturação aumenta, o número de poros preenchidos
por ar tende a zero, não existindo assim poros disponíveis para o fluxo de ar não
dissolvido.
6.2.4.
Análise dos modelos
Para avaliar qual dos ajustes melhor reproduz a capacidade de predizer o resultado de
difusão, é indicado o uso da estatítica. AACHIB
et al.
(2004) sugerem alguns
indicadores estatísticos que são descritos pelas equações 6.27, 6.28 e 6.29. As medidas
dos desvios serão avaliadas pelas equações do desvio médio absoluto (MD) – Equação.
154
6.27, pelo coeficiente de correlação (R
2
) – Equação 6.28 e do erro da média geométrica
(GMER) – Equação 6.29. AACHIB
et al.
(2004) afirma que o GMER é útil para
predizer se o modelo superestima ou subestima os valores observados.
∑
=
−=
N
i
ii
OP
N
MD
1
)(
1
(Eq. 6.27)
∑ ∑
∑
= =
=
−−
−−
=
N
i
N
i
mimi
N
i
mimi
PPOO
PPOO
R
1 1
22
2
12
)()(
))((
(Eq. 6.28)
=
∑
=
N
i
i
i
O
P
N
GMER
1
ln
1
(Eq 6.29)
Onde: O
i
– valor experimental observado;
P
i
– valor previsto;
N – número de pares de valores (O
i
, P
i
);
O
m
– média dos valores experimentais observados;
P
m
– média dos valores previstos.
O desvio médio absoluto (DM) é um desvio dado entre os termos experimentais e o
valor previsto. O coeficiente de correlação é obtido pela regressão linear entre os
valores do coeficiente de difusão efetivo previsto e o medido.
Um perfeito ajuste entre os dados observados e previstos ocorre quando:
a)
MD = 0, onde valor positivo ou negativo reflete uma superestimativa ou uma
subestimativa respectivamente dos valores previstos;
b)
Coeficiente de correlação próximo ou igual a 1;
c)
GMER = 1, onde GMER > 1 indica uma superestimativa dos dados previstos e
GMER < 1 uma subestimativa.
6.3. Metodologia dos ensaios
Para realização dos ensaios de difusão foi necessária a confecção de três itens distintos:
•
Célula de difusão;
•
Painel de gases (purga da amostra);
•
Sistema de aquisição de dados.
Além destes equipamentos, outros elementos importantes para a execução do ensaio
serão tratados a seguir, destacando-se: a preparação da amostra, a compactação, a purga
e o procedimento experimental empregados. Fatores intervenientes tais como: variação
da umidade do corpo de prova, temperatura, sensor de oxigênio e consumo de oxigênio
também serão tratados a seguir.
155
6.3.1.
Célula de difusão
Esta célula foi desenvolvida a partir do esquema experimental apresentado por
YANFUL (1993) e CABRAL
et al.
(2000). Permite realizar ensaio de difusão em célula
com reservatório simples e reservatório duplo, bem como avaliar a taxa de consumo de
oxigênio por parte do solo ou resíduo, segundo metodologia proposta por ELBERLING
et al.
(1994) citada anteriormente.
A célula foi construída em acrílico e é composta de quatro segmentos: reservatório de
coleta, reservatório fonte e de acondicionamento da amostra, base e tampas cegas com
anel de vedação. Os reservatórios apresentam dois furos simétricos para a purga e um
furo para fixação do sensor de oxigênio (total de três). A altura do corpo de prova
utilizado foi de aproximadamente 3,18 cm. Montada com todas as peças é uma célula de
reservatório duplo (Figura 6.7a), mas, se retirar o reservatório de coleta a célula,
transforma-se em uma célula de reservatório simples (Figura 6.7b).
32 mm
129 mm
100 mm
Montagem
Arranjo 1
Solo
Purga Purga
Sensor de O
2
Purga Purga
Sensor de O
2
(a)
32 mm
78 mm
100 mm
Montagem
Arranjo 2
Solo
Purga Purga
Sensor de O
2
(b)
Figura 6.7 – Desenho esquemático da célula desenvolvida para determinação do coeficiente de
difusão com reservatório duplo (a) e reservatório simples (b).
A célula desenvolvida permite a simulação do fluxo unidimensional. O ensaio realizado
foi o de reservatório duplo com concentração constante e variável no reservatório fonte,
com monitoramento da concentração dos reservatórios durante todo o ensaio.
Os ensaios foram encaminhados, quando possível, até o regime estacionário, que se
configura quando a migração de oxigênio cessa, ou seja, a concentração de oxigênio no
reservatório fonte é igual à concentração de oxigênio no solo e no reservatório de coleta.
Alguns ensaios não se encaminharam até este estágio devido ao elevado tempo
necessário para atingi-lo e ao efeito da umidade no sensor.
Concluído o ensaio a variação da concentração nos reservatórios foi modelada com o
auxílio do programa POLLUTE V. 6 (ROWE
et al.
, 1994), conforme apresentado no
item 6.2.1. Os resultados de coeficiente de difusão obtidos foram comparados com
algumas das soluções analíticas descritas no item 6.2.3.
Por se tratar de ensaios de longa duração, três células foram confeccionadas. Contudo,
devido à limitação de sensores de oxigênio (quatro), foi possível realizar
simultaneamente: dois ensaios de difusão com concentração variável na fonte ou um
ensaio de difusão com concentração variável e dois com concentração constante ou três
ensaios com concentração constante.
156
6.3.2.
Painel de pressão
O painel de pressão permite o uso de dois gases: nitrogênio e ar comprimido, com
pressão mínima de saída de 0,01 KPa e pressão máxima de saída de 1500 KPa. Têm
duas linhas distintas que permitem regular a pressão, a linha de baixa pressão permite o
uso de pressões que variam de 0 a 400 KPa, enquanto que a de alta pressão permite
pressões que vão de 400 a 1500 KPa. Os gases comerciais em cilindros e utilizados
nesta tese (nitrogênio e ar comprimido) apresentam-se secos. Para umedecer o gás foi
adicionado no final da linha de baixa pressão um dispositivo para saturar os gases
composto por uma câmara e um fluxímetro que permitiu o com controle de vazão. O
painel foi concebido a partir do desenho esquemático apresentado por MACKAY
et al.
(1998).
6.3.3. Sistema de aquisição de dados
Os dados de concentração e temperatura ambiente foram armazenados em função de um
sistema de aquisição desenvolvido para essa atividade. O sistema de aquisição é
composto por um computador, programa de aquisição de dados e um módulo de
aquisição de dados (composto por um conversor analógico/digital de 16 bits e uma fonte
de alimentação). O conversor analógico digital permite a ligação simultânea de oito
equipamentos no experimento, mas foram utilizados: quatro sensores de oxigênio e um
termopar. O sistema de aquisição foi desenvolvido com o objetivo de permitir a leitura e
o armazenamento dos dados de acordo com o período estipulado pelo programa de
aquisição de dados (PADR). O PADR permite ainda mostrar de forma gráfica ou
numérica os dados que estão sendo armazenados. O sistema foi desenvolvido para fazer
a aquisição contínua dos dados do ensaio. Maiores informações sobre o funcionamento
do sistema de aquisição de dados e painel de pressão encontram-se disponíveis no
ANEXO V.
6.3.4. Detalhes do ensaio
ROLSTON (1986a) apresenta erros associados ao método de determinação do
coeficiente de difusão que são:
•
reação do gás com o solo e a câmara – quando a célula ou o solo reagem com o
gás de interesse, esta reação passa a ter importância quando o solo encontra-se
próximo à saturação, e o coeficiente de difusão cai drasticamente;
•
umedecimento e secagem do solo durante as medidas – os solos podem absorver
ou perder água da atmosfera nos ensaios a concentração constante;
•
difusão do gás pelo equipamento – pode ocorrer nos tubos, conexões, borrachas
de vedação e pode resultar em erros, principalmente quando o ensaio persiste
por um período grande de tempo.
Conforme observado na literatura, os resultados de coeficiente de difusão obtidos por
YANFUL (1993) e CABRAL
et al.
(2000), para elevado grau de saturação, apresentam
uma considerável dispersão do resultado. SHELP & YANFUL (2000) afirmam que a
dispersão pode ser atribuída a fatores controladores que são: temperatura, influência da
estagnação do gás no reservatório, condensação de umidade no sensor, influência de
microorganismos, e variação da umidade do corpo de prova durante o ensaio.
157
Para a execução do ensaio devem ser observados: preparação da amostra, compactação,
purga e procedimento experimental, bem como alguns desses fatores controladores.
6.3.4.1. Preparação da amostra
A quantidade de água necessária para um determinado teor de umidade de compactação
deve ser calculada e adicionada ao solo. O material preparado é acondicionado em saco
plástico e encaminhado à câmara úmida por no mínimo 48 horas. Contudo, o material
foi utilizado somente após 90 horas da sua preparação. O período em que o material fica
na câmara úmida permite uma melhor distribuição de umidade, bem como o
desenvolvimento microbiológico.
Conforme descrito no item 5.7.2., o formaldeído a 3% foi escolhido como substância
inibidora da atividade microbiológica do solo para o estudo da difusão e consumo. O
formaldeído foi diluído em água destilada e esterilizada, e aplicado ao solo de forma
que a concentração ficasse em 3% de formaldeído e a amostra de solo atingisse o teor de
umidade desejado. O ensaio com esse material ocorreu 48 horas após a esterilização.
Qualquer água adicionada ao solo, normal ou esterilizado, foi esterilizada e o material
que entrava em contato com o solo foi desinfetado com álcool 70%, o que inclui os
elementos que compõem a célula de difusão e o sistema de compactação. Tanto o solo
normal quanto esterilizado foi preparado com auxílio de luvas de forma a evitar
contaminação.
6.3.4.2. Compactação
As amostras de solo foram preparadas com uma antecedência mínima de 5 dias no caso
do solo natural e 2 dias quando esterilizado. Após a equalização da umidade, os
materiais, foram compactados de forma estática na célula de difusão, com camada única
final de aproximada de 3,18 cm de altura (maiores informações no ANEXO V). A
compactação tentava reproduzir as condições de campo e as condições associadas à
curva de compactação.
6.3.4.3. Montagem do ensaio de difusão
Após a compactação da amostra no corpo da célula de acrílico procede-se a montagem
do equipamento com a fixação na base de um suporte perfurado que impede a
movimentação do corpo de prova moldado e um sistema de aplicação de pressão no
topo de forma a simular uma tensão confinante de aproximadamente 5 KPa. O sistema
de aplicação de pressão é composto por disco perfurado e mola. O volume ocupado por
cada peça foi calculado a partir do conhecimento da densidade e do peso do material
empregado na confecção das peças. O volume ocupado pelo sistema de aplicação de
158
pressão foi descontado do volume do reservatório fonte, enquanto que o suporte
perfurado foi descontado do reservatório de coleta.
Logo em seguida à montagem da célula iniciava-se o ensaio de difusão à concentração
variável. Terminado este ensaio a célula era aberta e iniciava-se o ensaio à concentração
constante.
A Figura 6.8 mostra a célula de reservatório duplo montada em um ensaio de
concentração variável (a) e constante na fonte (b). Sendo possível observar os itens A –
mola; B – disco perfurado, C - suporte perfurado, D- Membrana de Sílica, E – Sensor de
O
2
e F – Medidor de O
2
.
(a)
(b)
Figura 6.8 – Célula de difusão montada para o ensaio de difusão com concentração variável (a)
e constante na fonte (b), sendo possível observar os itens: A – mola; B – disco perfurado, C -
suporte perfurado, D- membrana de sílica, E – sensor de O
2
.e F – medidor de O
2
.
E
F
C
D
A
B
E
D
C
E
D
159
Maiores detalhes sobre este ensaio são apresentados a seguir:
•
Concentração variável na fonte - neste caso é feita uma purga simultânea de ar
no reservatório fonte e nitrogênio no reservatório de coleta. A purga é efetuada
com uma pressão de 0,1 KPa e uma vazão de aproximadamente 3 mL/min. A
purga prossegue até o instante em que o reservatório de coleta não apresenta
uma variação significativa da concentração com o tempo, e a concentração se
encontra de 0 a 3% de oxigênio (monitorada pelo sensor de oxigênio).
Desconectam-se os gases do reservatório fonte e coleta e fecha-se o registro de
entrada e saída da purga. Neste instante, o ensaio é iniciado e observa-se o
decréscimo da concentração com o tempo na fonte e o acréscimo na base, sendo
estes dados armazenados no sistema de aquisição de dados. As Figuras 6.9 e
6.10 mostram, respectivamente, um arranjo experimental e um desenho
esquemático do sistema montado para a realização do ensaio de difusão
utilizando a configuração de concentração variável na fonte.
•
Concentração constante na fonte ou massa finita – neste caso o reservatório
fonte da célula deve ser aberto. Conecta-se o gás nitrogênio ao reservatório de
coleta da célula e permite-se um fluxo de gás de aproximadamente 0,5 KPa e 3
mL/min até que a concentração de oxigênio neste reservatório tenda a zero
(monitorada pelo sensor de oxigênio). A alta concentração de oxigênio no
reservatório fonte faz com que ele migre pelo solo até o reservatório de coleta,
sendo a concentração de oxigênio monitorada pelo sensor de oxigênio acoplado
ao sistema de aquisição de dados no reservatório coleta. A Figura 6.11 mostra o
desenho esquemático do arranjo para o ensaio com concentração constante na
fonte.
Maiores detalhes sobre a montagem e o ensaio encontra-se no ANEXO V.
Figura 6.9 – Arranjo experimental do ensaio de difusão com concentração constante na fonte,
mostrando: A - painel de pressão, B - sistema para umedecimento do gás, C - célula de difusão,
D - sensor de oxigênio, E - medidor de oxigênio, F - monitor com imagem do sistema de
aquisição de dados, G – compressor e H – cilindro com o gás nitrogênio.
A
B
C
D
E
F
G
H
160
N
2
Ar
Purga
Sensor O
2
Compressor
Dispositivo para
saturar o gás
Gás
Saturado
Sensor O
2
A
B
C
B
Legenda:
A - Mola
B - Disco Perfurado
C - Suporte Perfurado
D - Membrana de Sílica
E - Sensor O
2
F - Medidor O
2
G - Módulo de Aquisição
H - Programa de Aquisiçao
de Dados PADER
Purga
Registro de Purga
A
B
C
B
Registro de Purga
20.90 3.00
Alimentação 9V
ESQUEMA DE PURGA
ESQUEMA DO ENSAIO
CONCENTRAÇÃO VARIÁVEL
D
E
F
G
H
D
E
Sensor
Temperatura
N
2
Ar
CÉLULA DE
DIFUSÃO
ALTA PRESSÃOBAIXA PRESSÃO
PAINEL DE
PRESSÃO
AQUISIÇÃO
DE DADOS
Figura 6.10 – Configuração experimental montada para o ensaio de difusão com concentração variável na fonte.
161
Purga
Sensor O
2
Compressor
Gás
Saturado
Sensor O
2
A
B
C
B
Purga
Registro de Purga
A
B
C
B
Registro de Purga
20.90 3.00
Alimentação 9V
ESQUEMA DE PURGA
ESQUEMA DO ENSAIO
CONCENTRAÇÃO CONSTANTE
E
F
E
Sensor
Temperatura
N2
Ar
N2Ar
ALTA PRESSÃOBAIXA PRESSÃO
PAINEL DE
PRESSÃO
Legenda:
A - Mola
B - Disco Perfurado
C - Suporte Perfurado
D - Membrana de Sílica
E - Sensor O
2
F - Medidor O
2
G - Módulo de Aquisição
H - Programa de Aquisiçao
de Dados PADER
G
H
AQUISIÇÃO
DE DADOS
Dispositivo para
saturar o gás
CÉLULA DE
DIFUSÃO
Figura 6.11 – Configuração experimental montada para o ensaio de difusão com concentração constante na fonte.
162
6.3.4.4. Purga
O gás utilizado na purga deve ser inerte com relação à sua absorção por parte dos
componentes do solo e, por outro, deve ser aplicado com uma baixa pressão para não
provocar fluxos advectivos de gás pela amostra.
YANFUL (1993), entre outros, sugere o uso do nitrogênio para purga nos ensaios para
determinação do coeficiente de difusão de oxigênio por se tratar de um gás inerte.
Segundo RANEY (1949)
apud
MACKAY
et al.
(1998), a absorção de nitrogênio no
solo pode ser considerada negligenciável e o nitrogênio pode difundir para dentro ou
para fora do solo ensaiado praticamente com a mesma taxa que o oxigênio. Por tratar-se
de um constituinte do ar, ser praticamente inerte ao solo e não oferecer risco elevado
quanto à manipulação, o gás nitrogênio foi escolhido para utilização em purga no
reservatório de coleta com o intuito de diminuir a concentração de oxigênio nesse
reservatório. O ar, comercial ou fornecido por bomba de ar comprimido, foi utilizado
como gás de purga no reservatório fonte com o intuito de manter a concentração de
oxigênio neste reservatório igual a concentração do oxigênio no ar.
6.3.4.5. Variação da umidade no corpo de prova
Nenhum trabalho específico foi realizado com relação a este fator. Contudo, não se
pode deixar de observar e considerar que durante a purga e no ensaio de difusão o solo
pode variar de umidade.
Como os gases presentes em cilindros comerciais são dessaturados, e a sua utilização
provocaria o ressecamento da amostra, optou-se por fazer o gás permear pela água e
depois ser encaminhado para a célula de forma a saturar o gás com água com um fluxo
não superior a 5L/min. O umedecimento do ar é feito com auxílio de um sistema de
saturação composto por um recipiente com registro na entrada e um fluxímetro na saída.
O umedecimento do ar também é necessário porque ocorre um fluxo do vapor de água
do meio mais saturado para o menos saturado, ou seja, se a saturação do solo for
superior a do ar ocorrerá um fluxo de vapor de água no sentido oposto ao da difusão de
oxigênio, que pode afetar o estudo da difusão do oxigênio. Outro fator importante é o
tempo de purga que deve ser reduzido de forma a minimizar a perda de umidade do
solo. O volume do reservatório fonte ou coleta devem ser pequenos de forma que a
purga fique mais rápida e que a umidade do ar neste reservatório se equalize
rapidamente com a umidade do solo, não gerando perda significativa de umidade por
parte do solo.
CABRAL
et al.
(2000) sugerem cobrir a célula e adicionar um pequeno recipiente com
água no reservatório fonte durante o ensaio com concentração constante na fonte, o que
garantiria a saturação do ar com água nesse reservatório, evitando a troca de vapor de
água do solo com o meio.
Para controle da perda de umidade por parte do corpo de prova foi adotada a
metodologia proposta por CABRAL
et al.
(2000) no ensaio com concentração
constante, ou seja, a colocação de um recipiente com água no reservatório fonte. E
163
durante a purga o gás foi saturado no elemento chamado dispositivo para saturação de
gases (Figura 6.10 e 6.11). Os ensaios tiveram a sua umidade inicial e final calculada a
partir da obtenção do peso antes e após o ensaio de difusão.
6.3.4.6. Temperatura ambiente
YANFUL (1993) e CABRAL
et al.
(2000) sugerem que o ensaio seja feito sob
temperatura controlada. MACKAY
et al.
(1998) observaram, durante a realização do
ensaio, flutuações da concentração de oxigênio em função das oscilações diárias da
temperatura ambiente e sugerem a imersão da célula em um banho enquanto o ensaio é
realizado. SHELP & YANFUL (2000) realizaram ensaios em sala com temperatura
controlada e utilizaram temopares para monitorar a temperatura ambiente bem como a
temperatura da água do banho.
Optou-se por realizar os ensaios em sala com temperatura controlada em 25
0
C
±
1
0
C,
onde o monitoramento da temperatura ambiente foi realizado a partir do uso de
temopares e de termohigrômetros.
6.3.4.7. Sensor de oxigênio
A concentração do gás oxigênio foi medida utilizando o sensor de gás eletroquímico
Modelo 630 da empresa “Engineering System” que faz leituras em sistemas estáticos
(sem pressão) e praticamente não consome gás durante a análise. Conforme informações
do fabricante, o sensor apresenta um catodo e um anodo fixados no interior de um
cilindro por meio de uma membrana e tem uma precisão de leitura de 0,1% de
concentração de oxigênio. O oxigênio difunde pela membrana e atua como um
catalisador deflagrando a reação eletrolítica. A taxa de reação é monitorada e o sensor
fornece como saída uma voltagem que pode ser linearmente relacionada à concentração
absoluta do oxigênio. Segundo MACKAY
et al.
(1998) e o fabricante desse sensor, ele
deve ser calibrado para o oxigênio atmosférico à temperatura ambiente.
O sensor tem um resistor (thermistor) que é um eletrodo que tem por objetivo
compensar o sinal em função da mudança da temperatura para a temperatura de
referência de 25
0
C e faz com que o eletrodo forneça o valor constante da concentração.
A compensação do eletrodo é contínua, mas em função de sua massa, para qualquer
mudança na temperatura ambiente ocorre uma demora na resposta do sensor para que o
mesmo se aclimate a nova temperatura. O sensor somente reage com o oxigênio e é
inerte a gases como: nitrogênio, argônio, hélio, etc. que não afetam o sensor. A Figura
6.12 mostra a variação da concentração do oxigênio no ar em função da umidade
relativa do ar e a temperatura calculada a partir de relações termodinâmicas.
164
0 20 40 60 80 100
UMIDADE RELATIVA (%)
20.00
20.20
20.40
20.60
20.80
21.00
C
O
N
C
E
N
T
R
A
Ç
Ã
O
O
X
I
G
Ê
N
I
O
(
%
)
Legenda
10
0
C
15
0
C
20
0
C
25
0
C
30
0
C
Linha superior - P
t
= P
atm
+P
H
2
O
Linha inferior P
t
= P
atm
Figura 6.12 – Gráfico que apresenta a concentração do oxigênio considerando a umidade
relativa e a temperatura do sistema.
Este sensor pode ter variações na leitura em função dos seguintes fatores:
variação da alimentação – a alimentação de 9 Volts deve ser constante, ou seja,
qualquer alteração na alimentação provoca alteração na leitura;
vida útil do sensor - é de 900 mil horas que se exposta a uma atmosfera de 20,9% de
oxigênio durará cinco anos. O sensor quando novo tem uma saída de 13 milivolts
para a concentração do oxigênio no ar que pode cair para 11 milivolts no término
das 900 mil horas;
variação de pressão – a saída do sensor é linear com a pressão, por exemplo, o
sensor acusa 20,9% de oxigênio no ar a uma pressão de uma atmosfera e 41,8% a
duas atmosferas.
Durante o ensaio ou calibração podem ocorrer alterações da pressão no interior da
câmara que afetam a leitura da concentração do gás neste recipiente. Se a pressão for
mais elevada do que a pressão atmosférica ocorre um aumento da concentração e o
oposto ocorre quando a pressão for inferior. Alterações na umidade relativa também
afetam o sinal do sensor, conforme mostrado na Figura 6.12, onde quanto maior a
umidade relativa menor a concentração de oxigênio. Existe, também, um tempo de
resposta de aproximadamente 1 minuto.
MACKAY
et al.
(1998) observaram flutuações na concentração medida pelo sensor de
oxigênio quando o ar apresenta–se úmido no reservatório de difusão. CABRAL
et al.
(2000) forçam a passagem de oxigênio em sulfato de cálcio para prevenir a umidade no
sensor de oxigênio. SHELP & YANFUL
(2000) sugerem que o sensor, da mesma marca
do utilizado nesta tese, seja protegido por uma membrana de sílica gel principalmente
nos ensaios com elevado grau de saturação. Desta forma evita-se a umidade e a
condensação de água no sensor. Estas ações aumentam a repetibilidade do resultado
principalmente quando o ensaio está estabilizado. A membrana de sílica foi utilizada
nos ensaios principalmente com grau de saturação superiores a 70%, porque em valores
de saturação inferiores, essa membrana deve ser retirada porque ela passa a funcionar
como um elemento de resistência ao fluxo.
165
Foram realizados ensaios com e sem membrana de sílica, bem como testes com relação
à saturação e estabilidade da membrana de sílica utilizada.
6.3.4.8. Influência da estagnação do gás no reservatório
EVANS (1965)
apud
ROLSTON (1986a) afirmam que se o volume da câmara de
difusão for pequeno, não é necessário, durante o ensaio, a circulação do gás dentro da
câmara, conforme demonstrado por CURRIE (1960a). Afirmam também que o tamanho
e a forma da câmara, bem como o diâmetro e o comprimento da amostra de solo são
flexíveis. Neste trabalho o reservatório de coleta tem aproximadamente 300 cm
3
na base
e no topo 230 cm
3
, a altura do corpo de prova e dos reservatórios estão compatíveis com
os valores descritos por YANFUL (1993) e CABRAL
et al.
(2000) para ensaios com
reservatório duplo.
6.3.4.9. Influência de microorganismos
RENAULT & SIERRA (1994) consideram que o consumo de oxigênio no solo depende
do teor de umidade, do conteúdo de matéria orgânica e da atividade microbiana, não
podendo ser desconsiderada também a reatividade da fração inorgânica do solo.
YANFUL (1993) usou o balanço de massa do ensaio de difusão para estimar o consumo
de gás ou a fuga de gás durante o ensaio e obteve uma redução de 5% da massa inicial
(4
µ
g de gás por grama de solo seco). Na interpretação do ensaio de difusão foi
realizado um balanço de massa tal como YANFUL (1993), e a taxa de queda da
concentração (C/C
0
) durante o ensaio foi atribuído à atividade microbiológica.
6.4. Ensaios realizados
Os ensaios realizados podem ser agrupados em ensaios preliminares, de difusão e de
consumo.
6.4.1. Ensaios preliminares
Os ensaios preliminares foram realizados para estudar os fatores intervenientes no
ensaio de difusão. Para tanto se procedeu:
Teste de estanqueidade com nitrogênio;
Teste de agitação no reservatório e a estabilidade do sensor;
Teste avaliando a influência da umidade relativa sobre a leitura do sensor;
Testes com relação à saturação e a estabilidade da membrana de sílica utilizada;
Teste avaliando a influência da temperatura ambiente;
Teste avaliando a influência do solo no interior da célula;
Determinação do decréscimo da concentração no reservatório;
166
6.4.2. Ensaios de difusão
A síntese das condições iniciais e finais dos diferentes ensaios é apresentada nas
Tabelas 6.5, 6.6, 6.7 e 6.8, para a Cinza Grossa, Jazida Empresa, Jazida Picollo e
Rejeito Fino Peneirado, respectivamente.
Tabela 6.5 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Cinza Grossa.
Inicial Final
Ensaio
ρ
ρρ
ρ s
(g/cm
3
)
w (%) S(%) n
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
w(%) S (%)
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
H cp
(cm)
1
1,060
39,57
87,17
0,481
0,062
0,076
36,76
80,98
0,091
0,104
2,8
4
0,960
36,75
66,55
0,530
0,177
0,189
35,54
64,36
0,189
0,200
2,8
5-A
0,930
35,68
60,91
0,545
0,213
0,224
-
-
-
-
2,8
5-D
0,930
16,63
28,39
0,545
0,390
0,395
-
-
-
-
5-E
0,930
10,55
18,01
0,545
0,447
0,450
-
-
-
-
5-F
0,930
8,80
15,02
0,545
0,463
0,466
-
-
-
-
7-T1
0,967
39,57
72,65
0,527
0,144
0,157
38,07
69,90
0,159
0,171
3,13
8-T1
0,961
39,56
71,78
0,530
0,150
0,163
38,08
69,10
0,164
0,176
3,2
9-T1
0,967
39,57
72,65
0,527
0,144
0,157
38,08
69,92
0,159
0,171
3,18
10-T2
0,998
40,24
78,51
0,512
0,110
0,123
37,50
73,17
0,138
0,150
3,19
11-T2
0,996
40,24
78,21
0,512
0,111
0,124
37,41
72,71
0,139
0,151
3,21
12-T2
1,003
40,24
79,29
0,509
0,105
0,118
37,88
74,64
0,129
0,142
3,18
13
0,807
40,01
53,37
0,605
0,282
0,293
38,92
51,92
0,291
0,301
3,19
14
0,991
43,71
84,12
0,515
0,082
0,096
38,72
74,52
0,131
0,144
3,21
15
1,003
33,86
66,71
0,509
0,169
0,180
31,28
61,63
0,195
0,205
3,18
16
0,834
30,39
42,83
0,592
0,339
0,347
30,49
42,97
0,338
0,346
3,19
17
1,008
35,09
69,82
0,507
0,153
0,165
34,23
68,11
0,162
0,173
3,37
18
0,783
46,05
58,46
0,617
0,256
0,268
43,21
54,86
0,279
0,290
3,21
19
0,958
46,05
83,07
0,531
0,090
0,105
38,87
70,12
0,159
0,171
3,6
20
0,958
34,99
63,12
0,531
0,196
0,207
33,58
60,57
0,209
0,220
3,31
21
0,965
46,01
84,15
0,528
0,084
0,099
44,05
80,56
0,103
0,117
3,21
22
1,092
39,86
93,51
0,465
0,030
0,044
38,95
91,37
0,040
0,054
3,18
23-A
0,946
45,81
80,71
0,537
0,104
0,118
-
-
-
-
3,21
23-B
0,946
30,82
54,30
0,537
0,245
0,255
-
-
-
-
-
23-C
0,946
23,28
41,01
0,537
0,317
0,324
-
-
-
-
-
23-D
0,946
14,47
25,49
0,537
0,400
0,405
-
-
-
-
-
23-E
0,946
8,09
14,25
0,537
0,460
0,463
-
-
-
-
-
24-A
1,003
33,74
66,48
0,509
0,171
0,182
-
-
-
-
3,18
24-B
1,003
22,22
43,78
0,509
0,286
0,293
-
-
-
-
-
24-C
1,003
14,23
28,04
0,509
0,366
0,371
-
-
-
-
-
24-D
1,003
5,84
11,51
0,509
0,450
0,452
-
-
-
-
-
25-A
1,067
41,43
92,53
0,478
0,036
0,051
-
-
-
-
-
25-C
1,067
29,89
66,76
0,478
0,159
0,170
-
-
-
-
-
25-D
1,067
22,67
50,63
0,478
0,236
0,244
-
-
-
-
-
25-E
1,067
18,34
40,96
0,478
0,282
0,288
-
-
-
-
-
25-F
1,067
12,72
28,41
0,478
0,342
0,346
-
-
-
-
-
25-G
1,067
9,27
20,70
0,478
0,379
0,382
-
-
-
-
-
26-A
1,007
33,35
66,23
0,507
0,171
0,182
-
-
-
-
3,34
26-B
1,007
38,65
76,75
0,507
0,118
0,131
-
-
-
-
-
26-C
1,007
38,95
77,35
0,507
0,115
0,128
-
-
-
-
-
27-A
0,963
47,89
87,24
0,529
0,068
0,083
-
-
-
-
3,21
27-B
0,963
51,89
94,53
0,529
0,029
0,046
-
-
-
-
-
28-A
0,979
39,96
75,12
0,521
0,130
0,143
-
-
-
-
3,18
28-B
0,979
34,18
64,25
0,521
0,186
0,197
-
-
-
-
-
28-C
0,979
26,07
49,01
0,521
0,266
0,274
-
-
-
-
-
28-D
0,979
22,18
41,69
0,521
0,304
0,311
-
-
-
-
-
28-E
0,979
16,82
31,62
0,521
0,356
0,361
-
-
-
-
-
28-F
0,979
11,17
21,00
0,521
0,412
0,416
-
-
-
-
-
28-G
0,979
6,50
12,22
0,521
0,457
0,459
-
-
-
-
-
28-H
0,979
2,40
4,51
0,521
0,498
0,499
-
-
-
-
-
29-EST
0,974
40,26
74,94
0,523
0,131
0,144
39,41
73,36
0,139
0,152
3,18
30-EST
0,972
39,33
72,92
0,524
0,142
0,155
37,83
70,14
0,156
0,168
3,21
167
Tabela 6.6 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Jazida Empresa.
Inicial Final
Ensaio
ρ
ρρ
ρ s
(g/cm
3
)
w (%) S(%) n
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
w (%) S (%)
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
H cp
(cm)
1-EST
1,817
15,40
87,80
0,319
0,039
0,048
14,56
83,01
0,054
0,063
3,19
2-EST
1,804
15,48
86,30
0,324
0,045
0,054
14,84
82,73
0,056
0,065
3,20
3
1,758
18,08
93,26
0,341
0,023
0,033
17,32
89,34
0,037
0,047
3,16
4
1,796
18,08
99,43
0,327
0,002
0,013
16,92
93,05
0,023
0,033
3,18
5
1,668
18,08
80,51
0,375
0,073
0,083
17,68
78,73
0,080
0,090
3,12
6
1,841
12,78
75,97
0,310
0,075
0,083
12,38
73,59
0,082
0,090
3,17
7
1,668
12,78
56,91
0,375
0,162
0,169
12,27
54,64
0,170
0,177
3,19
8
1,702
10,20
47,98
0,362
0,188
0,194
10,08
47,42
0,190
0,196
3,18
9
1,791
16,33
89,04
0,328
0,036
0,046
15,33
83,59
0,053
0,062
3,20
10
1,643
16,33
69,88
0,384
0,116
0,125
15,50
66,33
0,129
0,137
3,20
11
1,726
16,33
79,88
0,353
0,071
0,080
15,59
76,26
0,084
0,093
3,18
13
1,837
14,59
86,12
0,311
0,043
0,052
13,72
80,99
0,059
0,067
3,18
14
1,876
14,59
92,29
0,297
0,023
0,032
14,40
91,08
0,027
0,036
3,22
15
1,696
14,59
67,96
0,364
0,117
0,125
14,28
66,52
0,122
0,130
3,17
16
1,756
14,59
75,00
0,342
0,086
0,094
14,20
73,00
0,093
0,101
3,18
17
1,813
11,07
62,68
0,320
0,119
0,126
10,59
59,96
0,128
0,134
3,20
18
1,854
11,07
49,45
0,374
0,189
0,195
10,46
46,73
0,199
0,205
3,20
19
1,757
11,07
57,00
0,341
0,147
0,153
10,38
53,45
0,159
0,165
3,18
20
1,619
11,07
45,61
0,393
0,214
0,220
10,62
43,76
0,221
0,227
3,18
21-A
1,831
14,67
85,69
0,313
0,044
0,053
-
-
-
-
3,19
21-B
1,831
13,64
79,67
0,313
0,063
0,071
-
-
-
-
-
21-C
1,831
12,55
73,31
0,313
0,083
0,091
-
-
-
-
-
21-D
1,831
11,15
65,13
0,313
0,109
0,116
-
-
-
-
-
21-E
1,831
9,82
57,36
0,313
0,133
0,139
-
-
-
-
-
21-F
1,831
6,31
36,86
0,313
0,197
0,201
-
-
-
-
-
21-G
1,831
2,12
12,38
0,313
0,274
0,275
-
-
-
-
-
21-H
1,831
1,86
10,86
0,313
0,279
0,280
-
-
-
-
-
Tabela 6.7 - Características dos ensaios de difusão realizados com a Jazida Picollo.
Inicial Final
Ensaio
ρ
ρρ
ρ s
(g/cm
3
)
w (%) S(%) n
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
w (%) S (%)
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
H cp
(cm)
1
1,398
30,51
93,06
0,458
0,031
0,045
29,01
88,48
0,052
0,065
3,16
2
1,364
30,51
88,26
0,472
0,056
0,070
30,01
86,81
0,063
0,076
3,19
3
1,418
29,95
94,25
0,451
0,026
0,040
28,39
89,34
0,048
0,061
3,18
4
1,365
25,35
73,45
0,471
0,125
0,136
25,17
72,92
0,127
0,138
3,17
5
1,389
29,95
90,08
0,462
0,046
0,060
28,56
85,90
0,065
0,078
3,19
6
1,368
29,95
87,18
0,470
0,060
0,074
29,27
85,20
0,070
0,083
3,17
7
1,431
29,95
96,19
0,446
0,017
0,031
27,82
89,35
0,048
0,061
3,19
8
1,375
21,39
62,94
0,467
0,173
0,183
21,19
62,36
0,176
0,186
3,19
9
1,406
25,35
78,29
0,455
0,099
0,111
24,67
76,19
0,108
0,119
3,18
10
1,433
25,35
81,67
0,445
0,082
0,094
24,41
78,64
0,095
0,107
3,21
11
1,378
25,35
74,95
0,466
0,117
0,129
24,27
71,75
0,132
0,143
3,17
12
1,393
21,39
64,73
0,460
0,162
0,172
21,41
64,79
0,162
0,172
3,20
13
1,424
21,39
67,95
0,448
0,143
0,153
20,67
65,66
0,154
0,164
3,23
14
1,362
21,39
61,68
0,472
0,181
0,191
20,92
60,33
0,187
0,196
3,20
15-EST
1,413
25,64
80,06
0,453
0,091
0,103
25,10
78,37
0,098
0,110
3,18
16-EST
1,414
25,21
78,84
0,452
0,096
0,108
24,67
77,15
0,103
0,115
3,20
17-A
1,432
23,41
75,30
0,445
0,110
0,121
-
-
-
-
3,22
17-B
1,432
22,11
71,12
0,445
0,128
0,138
-
-
-
-
-
17-C
1,432
18,47
59,41
0,445
0,181
0,190
-
-
-
-
-
17-D
1,432
14,77
47,51
0,445
0,233
0,240
-
-
-
-
-
17-E
1,432
11,54
37,12
0,445
0,280
0,285
-
-
-
-
-
17-F
1,432
7,20
23,16
0,445
0,342
0,345
-
-
-
-
-
17-G
1,432
5,11
16,44
0,445
0,372
0,374
-
-
-
-
-
17-H
1,432
2,24
7,21
0,445
0,413
0,414
-
-
-
-
-
Tabela 6.8 - Características dos ensaios de difusão realizados com o Rejeito Fino Peneirado.
Inicial Final
Ensaio
ρ
ρρ
ρ s
(g/cm
3
)
w (%) S(%) n
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
w (%) S (%)
θ
θθ
θ ar θ
θθ
θ eq
H cp
(cm)
1
1,393
12,22
43,85
0,388
0,218
0,224
11,39
40,87
0,230
0,235
3,175
168
Foram desenvolvidos 52 (cinqüenta e dois) ensaios com a Cinza Grossa, 29 (vinte e
nove) com a Jazida Empresa, 24 (vinte e quatro) com a Jazida Pícollo e 1 (um) com o
Rejeito Fino Peneirado, perfazendo um total de 106 (cento e seis) ensaios.
6.4.2.1. Ensaio de difusão em triplicata
Este ensaio foi realizado somente na cinza com o objetivo de observar a repetibilidade
do ensaio em corpos de prova diferentes. Para tanto, dois ensaios com três células
distintas foram preparados com o mesmo teor de umidade, tentando reproduzir a mesma
massa específica aparente seca. Esses ensaios são identificados na Tabela 6.5 e na
Figura 6.13 como sendo os de número 7-T1, 8-T1 e 9-T1 e correspondem ao primeiro
ensaio de triplicata e os ensaios 10-T2, 11-T2 e 12-T2 ao segundo ensaio de triplicata.
8-T1
10-T2
7-T1
9
-
T
1
11-T2
12-T2
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
28 32 36 40 44 48
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%
60%
50%
CINZA
Ensaios Triplicata
Figura 6.13 – Posicionamento dos ensaios de triplicata com relação à curva de compactação.
6.4.2.2. Ensaio esterililizado
Este ensaio foi realizado tentando obter a umidade ótima e a massa específica aparente
máxima em duas células distintas, uma com amostra esterilizada com formaldeído e a
outra com a amostra natural. Os ensaios foram realizados simultaneamente. Permite
determinar a influência da atividade microbiológica porque os outros fatores umidade
no sensor, reatividade do gás com o sensor e oscilação de temperatura estão atuando
simultaneamente durante os ensaios. A condição esterilizada e natural corresponde aos
ensaios 29 e 30 da Cinza Grossa, 15 e 16 da Jazida Empresa e 1 e 2 da Jazida Picollo,
onde as características de moldagem podem ser observadas nas Tabelas 6.5, 6.7 e.6.8
respectivamente.
Como medida de controle, antes e após este ensaio foi realizada a contagem
microbiológica para certificar se não houve contaminação durante a preparação do
ensaio.
169
6.4.2.3. Umedecimento e secagem
Para minimizar o erro associado à moldagem, foi utilizado o mesmo corpo de prova em
vários ensaios de difusão, onde para atingir um teor de umidade diferente da moldagem
procedeu-se o umedecimento ou a secagem do corpo de prova.
No referido ensaio o corpo de prova era moldado na condição de compactação desejada,
e no caso de umedecimento, era adicionada água e fechada a célula de difusão, ficando
a amostra em repouso por uma semana de forma a equalizar a umidade. Após o período
de equalização, procedia-se o ensaio de difusão.
Quando se realizava os ensaios de secagem, o corpo de prova era moldado na condição
de compactação desejada, sendo ensaiado quanto à difusão e depois a célula era
colocada com o solo para secar em estufa com temperatura controlada entre 40-50
0
C.
Quando a célula atingia o peso correspondente à umidade desejada procedia-se um novo
ensaio de difusão correspondente ao novo teor de umidade. Um problema com relação à
execução deste ensaio é que, após o fornecimento do calor, a célula levava
aproximadamente 12 horas para retornar à temperatura ambiente de 25
0
C.
Foram realizadas cinco baterias de ensaio de secagem com a cinza e duas baterias de
umedecimento. Sendo os ensaios 5, 23, 24,25 e 28 de secagem e os ensaios 26 e 27 de
umedecimento. A Figura 6.14 apresenta o posicionamento dos ensaios com relação à
curva de compactação da cinza.
5-A5-B5-C5-D5-E5-F
23-A23-C23-D23-E
24-B24-C24-D
25-A25-B25-C25-D25-E25-F25-G
26-B26-C
27-B
28-B28-C28-F28-G28-H
24-A
26-A
27-A
28-A
28-D
28-E
0.850
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
1.150
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%60%50%40%30%20%
CINZA
SECAGEM - Ensaios 5 , 23, 24, 25 e 28
UMIDECIMENTO - Ensaios 26 e 27
10%
Figura 6.14 – Posicionamento dos ensaios de secagem e umedecimento com relação à curva de
compactação.
6.4.2.4. Ensaio com medida de sucção
Este ensaio tem por objetivo correlacionar o coeficiente de difusão com a sucção, para
tanto foi acoplado o ensaio do papel filtro antes do ensaio de difusão e o ensaio de
secagem após o ensaio de difusão.
As etapas são as seguintes: a) moldar o corpo de prova e durante a montagem colocar
papel filtro em contato na base e no topo do solo; b) deixar a célula fechada (inclusive
170
os registros) por 7 dias, no caso da Cinza Grossa, e 14 dias no caso da Jazida Empresa e
Jazida Picollo em sala com temperatura controlada à 25
±
1
0
C; c) depois retirar os
papéis filtro identificando a sua posição para a determinação da umidade e sucção
correspondente tal como realizado no ensaio de papel filtro; d) montar a célula
novamente e realizar ensaio de difusão a concentração variável e depois constante; e)
Deixar o corpo de prova perder umidade até atingir o peso correspondente ao grau de
saturação desejado, no caso do material mais saturado a perda de umidade deve ocorrer
de forma natural, mas nos pontos mais secos foi utilizada a estufa descrita no ensaio de
secagem; f) reiniciar o ensaio de papel filtro próximo ponto da curva característica,
colocando-os da mesma forma que na etapa anterior.
Cada célula apresentou oito pontos de papel filtro e oito ensaios de difusão a
concentração constante e concentração variável, correspondente a cada teor de umidade
e sucção obtidos a partir do ensaio de papel filtro.
6.4.2.5. Ensaios variando o teor de umidade e massa específica seca
Este ensaio é o principal da tese. Foram ensaiados três solos distintos: Jazida Empresa,
Jazida Picollo e Cinza Grossa. Os materiais ensaiados são os disponíveis para uso em
cobertura, o critério utilizado para os ensaios foi a variação da umidade e da massa
específica aparente seca de forma a obter amostras com diferentes graus de saturação e
índice de vazios. Esta análise reúne todos os ensaios realizados. As Figuras 6.15, 6.16 e
6.17 apresentam o posicionamento dos ensaios para a Cinza Grossa, Jazida Empresa e
Jazida Picollo com relação à curva de compactação.
7-T1
8-T1
10-T2
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23-A23-B23-C
24-B
25-A25-B25-C25-D
26-B26-C
27-B
28-B28-C28-D
9-T1
11-T2
12-T2
24-A
26-A
27-A
28-A
29-EST
30-EST
7.00
7.50
8.00
8.50
9.00
9.50
10.00
10.50
11.00
20 24 28 32 36 40 44 48 52
Teor de Umidade Gravimétrico (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%60%50%
40%
30%
20%
TODOS
Figura 6.15
- Posicionamento de todos os ensaios da Cinza Grossa com relação à curva
de compactação.
171
1-EST
2-EST
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21A21B21C21D21E
1.600
1.650
1.700
1.750
1.800
1.850
1.900
8 10 12 14 16 18 20
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%
60%
50%
40%
SECAGEM ATÉ 21-H
Figura 6.16
- Posicionamento de todos os ensaios da Jazida Empresa com relação à
curva de compactação.
2
3
4
6
7
8
9
10
11
1213
16-EST
15-EST
17-B17-C
1
5
14
17-A
1.340
1.360
1.380
1.400
1.420
1.440
1.460
18 20 22 24 26 28 30 32 34
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%
90%
80%
70%60%
?
SECAGEM ATÉ 17-H
Figura 6.17
- Posicionamento de todos os ensaios da Jazida Picollo com relação à curva
de compactação.
172
6.4.2.6. Ensaio de difusão no rejeito
Esse estudo foi realizado para que se fosse possível comparar o comportamento de
materiais reativos com relação à difusão. As características do corpo de prova ensaiado
encontram-se na Tabela 6.8.
6.4.3. Ensaios de consumo
A respiração é um dos mais antigos parâmetros utilizados para quantificar a atividade
microbiana. Ela representa a oxidação da matéria orgânica pelos organismos aeróbios
do solo. Assim, a respiração pode ser avaliada tanto pelo consumo de oxigênio como
pela produção de gás carbônico. A determinação do oxigênio pode ser feita por
cromatografia gasosa ou por eletrodos (MOREIRA & SIQUEIRA, 2002).
Durante a execução dos ensaios não pode ser desconsiderada a atividade
microbiológica. MOLDRUP
et al.
(2000b) afirmam que o consumo de oxigênio pode
ser considerado insignificante durante o período necessário para medir o coeficiente de
difusão, mas esta afirmativa sofre restrição para solos com teor de matéria orgânica
(TMO) superior a 1,5% e grau de saturação elevado. Dos solos estudados, a Jazida
Empresa, a Cinza Grossa e o Rejeito Fino Peneirado apresentam TMO superior aos
valores estabelecidos por MOLDRUP
et al.
(2000b).
O consumo de gás foi observado em vários ensaios de difusão, principalmente nos
ensaios com a Jazida Picollo, Cinza Fina e Rejeito Fino Peneirado quando apresentavam
elevado grau de saturação. Para determinar o termo de reação cinética
λ
, os ensaios
foram plotados C/C
0
versus
tempo, onde esse termo é a inclinação da curva obtida.
6.4.3.1. Consumo na célula de difusão
O termo de reação cinética foi determinado após cessada a difusão na célula de
reservatório duplo, tal como explicado no item 6.3.4.9. Isto foi possível, porque após
terminado o ensaio de difusão com concentração variável na fonte o mesmo apresentava
um decréscimo na concentração nos reservatórios.
6.4.3.2. Taxa máxima de consumo
Foi idealizado um ensaio denominado taxa máxima de consumo. As amostras são
preparadas na umidade ótima com o peso seco correspondente de 40 g, e são dispostas
no fundo da célula de modo que a amostra não excedesse 3 mm de espessura. Este
ensaio foi realizado na célula sem o reservatório de coleta, posicionando-se uma
quantidade de material suficiente para cobrir o fundo da célula (Figura 6.18). Conecta-
se o gás (ar comprimido) no reservatório fonte e procede-se a purga com ar comprimido
(fluxo de 5 mL/s) até que a concentração de oxigênio neste reservatório tenda a 21%
(monitorada pelo sensor de oxigênio). Fecha-se o sistema de aplicação purga e inicia-se
o monitoramento do consumo de oxigênio no reservatório fonte por cinco dias. Supõe-
se que a interação solo gás é a máxima possível, e que os valores obtidos
173
corresponderiam ao consumo máximo por parte do material. Este ensaio foi realizado
com solo natural e esterilizado com formaldeído 3%, simultaneamente para obter a
diferença no consumo.
Figura 6.18 – Ensaio de consumo em célula simples.
6.4.3.3. Comparação solo normal e esterilizado
YANFUL (1993) avalia a influência de microorganismos no solo a partir da sua
autoclavagem à pressão de 103 KPa e temperatura de 120
0
C por uma hora. Esse autor
observou que, para saturação em torno de 40%, os coeficientes de difusão no solo
natural e autoclavado foram idênticos (4,6 x10
-6
m
2
/s), atribuindo assim o consumo de
oxigênio à oxidação da matéria orgânica. Afirma ainda que a inclusão da taxa de
atividade biológica na estimativa do coeficiente de difusão efetivo utilizando o
programa POLLUTE não diferiu significativamente no resultado final do coeficiente de
difusão obtido.
SHELP
et al.
(2000) avaliaram o erro no coeficiente de difusão causado pela atividade
microbiológica a partir da comparação de ensaio em estado natural e em solo
autoclavado. Concluíram que a atividade biológica no solo não esterilizado é bem maior
do que no esterilizado, onde se observou que mais de 70% do gás adicionado no
reservatório foi consumido em três dias. Constataram que a esterilização das amostras
de solo e dos equipamentos não preveniu o crescimento microbiológico, mas somente
retardou. Os autores afirmaram que provavelmente ocorreu contaminação durante a
montagem do ensaio, e que os solos, por apresentarem condições físicas e químicas
diferentes, apresentam atividades e populações microbiológicas diferentes.
CABRAL
et al.
(2000) também utilizaram a técnica de autoclavagem para avaliar o
coeficiente de difusão em resíduos de papel e celulose excluindo o efeito do consumo
do oxigênio, utilizando pressão de 138 KPa por 30 minutos a uma temperatura de
120
0
C. Além disto, utilizou fungicida na água de preparação da amostra. O coeficiente
de difusão na condição normal e esterilizada forneceu valores que diferiram em 50%.
174
Foram realizados ensaios de difusão em reservatório duplo a carga constante e variável,
para avaliar a diferença no coeficiente de difusão no estado natural e esterilizado. A
eficiência da esterilização com o formaldeído 3% e a permanência do solo esterilizado
durante o ensaio foram avaliadas pelo número provável de colônias heterotróficas no
término do ensaio. Foi determinado também o número provável de colônias
heterotróficas para o solo antes e após o ensaio, conforme resultados apresentados no
item 5.7.2.
6.4.3.4. Consumo no rejeito
Em condições de campo a coberturas de rejeitos potencialmente geradores de drenagem
ácida de mina pode-se afirmar que após difundir pela cobertura, o oxigênio passa a se
mover nos rejeitos, e o fluxo de massa é a medida da quantidade de oxigênio por
unidade de área que se move nos rejeitos. Esse fluxo é diretamente proporcional ao
fluxo de ácido teórico máximo gerado nos rejeitos. Segundo ELBERLING
et al.
(1994),
o fluxo de oxigênio pode ser relacionado com o fluxo de ácido teórico máximo a partir
da equação estequiométrica global de oxidação da pirita (Equação 6.30).
4FeS
2
(s)+ 15O
2
+ 14H
2
O(l)
↔
4Fe(OH)
3
(s) + 8SO
4
2-
(aq) + 16H
+
(aq) (Eq. 6.30)
Nesta equação cada mol de pirita oxidado gera dois moles de SO
4
2-
e quatro moles de
H
+
. Sendo assim, para uma tonelada de pirita oxidada são produzidos 1,63 toneladas de
ácido sulfúrico. A Equação 6.30 assume que: todo o enxofre ocorre na forma sólida
como S
2
2-
; e que o S
2
2-
oxida completamente para sulfato; a pirita é o único mineral
sulfetado; a água e o oxigênio são os únicos oxidantes; e que todo o ferro oxida para
Fe
+3
e precipita sob a forma de hidróxido de ferro. Segundo NICHOLSON
et al.
, (1989)
e ELBERLING
et al.
(1994), o fluxo de oxigênio determina a taxa de produção de ácido
resultante da oxidação da pirita, sendo explicado aí a importância de um bom projeto de
cobertura.
Para a estimativa da taxa de consumo para rejeitos piritosos (
λ
) COLLIN (1987)
apud
MBONINPA
et al.
(2003) propõem um modelo simplificado baseado na cinética de
reação, onde a taxa varia lineamente com proporção ao mineral sulfetado. A equação
considera a porosidade total e a superfície de contado em função da curva
granulométrica (DH). A superfície de contato é estimada a partir da relação dos
parâmetros tais como coeficiente de uniformidade (CU) e diâmetro efetivo de 10%
(D
10
), conforme descrito por AUBERTIN
et al
(1998) e apresentado na Equação 6.31.
[
]
10
)log(17,11
DCUD
H
+
=
(Eq. 6.31)
Onde: CU – coeficiente de uniformidade (D
60
/D
10
) – (adimensional);
D
60
– diâmetro efetivo correspondente a 60% dos grãos passantes na curva
granulométrica (L);
D
10
- diâmetro efetivo correspondente a 10% dos grãos passantes na curva
granulométrica (L);
175
A equação que estima a taxa de reação em função da oxidação da pirita é apresentada na
Equação 6.32.
p
H
Cn
D
K
)1(
6
'
−=
λ
(Eq. 6.32)
Onde K’ – é a reatividade da pirita com o oxigênio (K’ = 5x10
-10
m
3
O
2
. m
-2
pirita .s
-1
=
15,8x10
-3
m
3
O
2
. m
-2
pirita . ano
-1
) – (L
3
L
-2
T
-1
);
C
p
– é o conteúdo de pirita na massa do resíduo (adimensional).
O valor obtido pela Equação 6.32 nem sempre coincide com o que é medido porque
λ
depende de vários fatores que incluem: mineralogia e tipo de sulfeto, temperatura, taxa
de reação e atividade microbiológica para oxidação do sulfeto (bactérias ferro-
oxidantes). Aliada a este fator, pode estar ocorrendo também a oxidação da matéria
orgânica que consequentemente também causa alteração desse parâmetro. Para a
estimativa do percentual da atividade microbiológica pode se medir além do consumo
do oxigênio a produção de gás carbônico, mas, novamente, estaria se computando a
degradação da matéria orgânica pelos microorganismos e a oxidação da pirita pelas
bactérias ferro-oxidantes.
Com relação à modelagem no Programa POLLUTE, é necessário calcular o tempo de
meia vida a partir da taxa de reação e considerar que a difusão somente ocorre pelos
poros preenchidos por ar, conforme apresentado na Equação 6.33.
eq
t
θ
λ
λ
λ
==
*
*
*
2/1
,
2ln
(Eq. 6.33)
Foi determinada a taxa de consumo no rejeito a partir das seguintes condições: a)
estimativa da taxa do consumo; b) consumo determinado a partir do balanço de massa
durante o ensaio de difusão e observação do decréscimo da concentração no reservatório
após cessada a difusão; e c) ensaio de consumo com o rejeito. O resultado de consumo
obtido foi comparado com o resultado do consumo determinado na literatura.
176
7. RESULTADOS DO ENSAIO DE DIFUSÃO
7.1. Introdução
Esse capítulo apresenta os resultados dos testes preliminares, dos ensaios de difusão e
dos ensaios de consumo. Os ensaios de difusão foram analisados utilizando o programa
POLLUTE V.6.0 (ROWE
et al.
, 1994) para a determinação do coeficiente de difusão, e
as equações empíricas foram estudadas quanto à eficiência na previsão dos resultados
obtidos. Esse capítulo apresenta uma tentativa de avaliação do consumo nos ensaios de
difusão e em outras situações para o solo e o resíduo.
7.2. Ensaios preliminares
Os ensaios preliminares foram feitos para estudar os fatores intervenientes no ensaio de
difusão. Para tanto, procederam-se:
Teste de estanqueidade com nitrogênio;
Teste de agitação no reservatório e a estabilidade do sensor;
Teste avaliando a influência da umidade relativa sobre a leitura do sensor;
Testes com relação à saturação e estabilidade da membrana de sílica;
Teste avaliando a influência da temperatura ambiente.
7.2.1. Teste de estanqueidade com o nitrogênio
O teste de estanqueidade foi realizado várias vezes, o seu objetivo era avaliar a
capacidade da célula e do sensor em vedar a entrada do ar. A célula é de acrílico, sendo
a tampa e o fundo encaixados com auxílio de O’rings, à medida que os registros e os
sensores de oxigênio são fixados a partir de rosca cônica e veda rosca. O primeiro teste
realizado consistiu na colocação de uma pequena pressão de gás na célula e a submersão
do conjunto em recipiente com água. Neste teste a posição do sensor de oxigênio foi
substituída por plugs.
Quando não se verificou mais a perda de gás ou entrada de água para a célula, passou-se
ao teste seguinte. Esse teste consistia na colocação do sensor de oxigênio na célula e a
purga com nitrogênio e o acompanhamento da manutenção da concentração com o
tempo. Por várias vezes este teste foi realizado e observado o acréscimo de
concentração na célula com o tempo.
O sensor de oxigênio não apresenta rosca para fixação na célula. Para tanto, foi
construída uma peça que encapsulava o sensor e permitia a sua colocação, mas essa
peça devia ter uma abertura para o fio. O que se constatou foi que a peça de
177
encapsulamento estava permitindo a entrada de ar para o interior do sensor através do
fio. Para resolver esse problema foi tentada a vedação com silicone comum o que não
funcionou, sendo depois utilizado o adesivo selante MIL-A-46146 da DOW CORNING,
indicado para a vedação de gás. A partir de então, não foram detectados problemas de
vazamento conforme observado na Figura 7.1, onde o tempo encontra-se na abcissa e a
concentração normalizada (concentração medida dividida pela concentração do
oxigênio no ar) na ordenada.
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18
0.19
0.20
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada (C/Car)
Sensor 1
Sensor 2
Figura 7.1
– Teste de estanqueidade da célula e dos sensores de oxigênio.
7.2.2.Teste de agitação no reservatório e a estabilidade do sensor
A célula de difusão de reservatório duplo foi colocada sobre uma placa magnética
contendo um agitador magnético no reservatório fonte e outro no de coleta, tal como
proposto por SHELP & YANFUL (2000) para a célula de reservatório simples. O
agitador magnético que ficou posicionado no reservatório fonte não se movimentou em
virtude da altura (10 cm). Não sendo possível desse modo, impor uma agitação no
reservatório fonte na mesma intensidade que o de coleta estava sofrendo. A manutenção
da agitação somente no reservatório de coleta geraria um fluxo advectivo no interior da
célula.
Considerando que o volume da câmara de difusão utilizada é pequeno, a relação altura
do corpo de prova e altura do reservatório está compatível com as células reportadas na
literatura, e que o coeficiente de difusão de um gás é extremamente rápido, optou-se por
não utilizar agitação nos reservatórios.
178
7.2.3. Teste avaliando a influência da umidade relativa sobre o sensor
Os testes descritos na Figura 7.2 foram feitos com leituras manuais da temperatura, da
umidade relativa e da concentração de oxigênio ao longo do tempo em quatro
configurações diferentes que seguem:
a)
célula fechada com ar que passou no sistema para umedecimento (ensaio em
duplicata);
b)
célula fechada com recipiente contendo sílica gel (ar seco). O ensaio iniciou
quando a à leitura da umidade relativa estava estabilizada (ensaio em triplicata);
c)
célula fechada contendo um recipiente com água (ensaio em triplicata);
d)
célula fechada contendo um recipiente com solo (ensaio em duplicata).
0 10 20 30
Tempo (h)
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
Concentração Oxigênio Normalizada
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa (%)
Legenda:
Sensor - 1
Sensor - 2
RH - 1
RH - 2
Equilíbrio com Ar Úmido
(a)
0 10 20 30
Tempo (h)
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
Concentração Oxigênio Normalizada
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa (%)
Legenda:
Sensor - 1
Sensor - 2
Sensor - 3
RH - 1
RH - 2
RH - 3
Equilíbrio com Sílica
(b)
0 10 20 30
Tempo (h)
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
C
o
n
c
e
n
t
r
a
ç
ã
o
O
x
i
g
ê
n
i
o
N
o
r
m
a
l
i
z
a
d
a
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa (%)
Legenda:
Sensor - 1
Sensor - 2
Sensor - 3
RH - 1
RH - 2
RH - 3
Equilíbrio com Água
(c)
0 10 20 30
Tempo (h)
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
C
o
n
c
e
n
t
r
a
ç
ã
o
O
x
i
g
ê
n
i
o
(
%
)
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa (%)
Legenda:
Sensor - 1
Sensor - 2
RH - 1
RH - 2
Equilíbrio com Solo
(d)
Figura 7.2 – Influência da umidade relativa na resposta do sensor, onde a) célula com ar úmido;
b) célula com ar seco; c) célula com ar seco + água; d) célula com ar +solo úmido.
Para medir a temperatura e a umidade relativa do ar no interior da célula foi utilizado
um termohigrômetro. Destaca-se aqui, que os valores de umidade relativa têm uma
incerteza de 5% e os de temperatura, 1
0
C. Os ensaios em duplicata e triplicata foram
realizados em células distintas e simultaneamente, ou seja, sujeitas à mesma variação de
temperatura ambiente.
179
Em umidades relativas do ar acima de 70% existe a tendência de ocorrer uma redução
na leitura do sensor, conforme observado na Figura 7.2(a), na condição do equilíbrio do
sensor com a água e com o solo. Na condição de equilíbrio com o ar úmido cuja
umidade relativa estava em torno de 70%, observou-se que as leituras de concentração
de oxigênio mantiveram uma tendência de estabilidade. Também na condição de
umidade relativa do ar em torno de 20%, que é o caso do ensaio com a sílica, observou-
se a tendência de estabilidade na leitura. A condição com umidade relativa mais baixa
mostrou uma tendência de equilíbrio do sensor com leituras um pouco superiores do que
a concentração no ar, ao passo que, na condição com ar úmido, este valor tende a ser
inferior.
Na Figura 7.3 pode-se observar um ensaio de difusão reproduzindo o ensaio
apresentado na Figura 7.2(c), mas agora realizado com a aquisição de dados contínua, e
sem a medida interna da umidade relativa do ar. Na condição inicial a célula foi
montada e sobre a base foi posto um recipiente com sílica gel, após 20 horas a sílica foi
retirada, sendo aspergida água e colocado um recipiente com água no interior da célula
tal como no ensaio anterior. Este ensaio durou aproximadamente 6 dias, contendo na
mesma célula 4 sensores de oxigênio e um termopar monitorando a temperatura
ambiente (Figura 7.3b). Conforme observado nesta figura, a temperatura não variou
mais do que um grau durante os primeiros quatro dias de ensaio.
No ensaio apresentado na Figura 7.3 observa-se que com a sílica a leitura dos quatro
sensores estava estável e apresentando o mesmo valor, mas quando a sílica foi trocada
pela água, a concentração medida pelos sensores começou a cair imediatamente. No
caso dos sensores 1, 3 e 4 a concentração normalizada após uma hora reduziu-se em
aproximadamente 0,02 e a queda manteve-se com uma pequena taxa ao longo do tempo.
O sensor 2 apresentou um comportamento distinto, com uma taxa menor de decréscimo
da concentração e atingiu a estabilização após 24 horas, sendo a queda da concentração
normalizada de 0,03, ou seja, maior do que os demais sensores.
Admitindo que a umidade relativa (RH) com a sílica esteja em torno de 20% e 100%
com o recipiente com água, conforme apresentado na Figura 7.2, e, sabendo que a
concentração do oxigênio no ar a 25
0
C é de 20,78% para RH de 20% e 20,26% para
RH=100%, conforme apresentado na Figura 6.12, e estima-se que ocorra uma redução
na concentração normalizada de aproximadamente 0,025. Na Figura 7.3(a) os valores
obtidos de concentração de oxigênio normalizada para os sensores 1, 3, e 4 estão
compatíveis com os valores previstos, e o sensor 2 apresentou um desvio de 40%. O
fato intrigante com relação ao ocorrido é que a concentração continuou caindo, mesmo
que lentamente, o que indica uma aparente absorção de água por parte dos componentes
do sensor, porque, cessado este ensaio, o mesmo precisou ser seco em sílica por vários
dias.
180
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
1.02
1.04
1.06
1.08
1.10
0 1 2 3 4 5 6 7
Tempo (dias)
Concentração Oxigênio Normalizada
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
Variação de
temperatura
na sala
Substituição da sílica por águaSílica
(a)
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
0 1 2 3 4 5 6 7
Tempo (dias)
Temperatura (
0
C)
Temp.
Variação de
temperatura
Substituição da sílica por águaSílica
(b)
Figura 7.3 – Influência da umidade relativa na resposta dos sensores com monitoramento
contínuo do sensor (a) e da temperatura ambiente na célula com água (b).
181
7.2.4. Testes com relação à saturação e estabilidade da membrana de
sílica
Em função do observado no item 7.2.3., optou-se em adicionar uma membrana de sílica
na entrada do sensor nas condições de ensaio que apresentassem saturação acima de
70%. Os sensores passaram a ser guardados com sílica para evitar a absorção de água no
sensor. Nesse instante surgiu uma dúvida com relação ao tempo em que a sílica mantém
a adsorção. Para isso foi desenvolvido um ensaio para avaliar a taxa de absorção de
água pela sílica gel com o tempo e a capacidade máxima de absorção em função do peso
de duas formas distintas.
No primeiro caso, 10 gramas de sílica gel foram colocadas em uma cápsula e dispostas
em um recipiente com água hermeticamente fechado. O peso foi controlado a partir de
uma série de pesagens realizadas com auxílio de uma balança com precisão de três casas
decimais ao longo do tempo. A absorção máxima da sílica foi determinada com relação
ao peso inicial de sílica, e foi de aproximadamente 29%, isso foi possível quando a
sílica não variou mais de peso com o tempo. No caso do ensaio com a membrana, a
sílica gel foi colocada na peça criada para absorver a umidade do sensor, e esta peça
contendo a sílica foi colocada no mesmo recipiente do ensaio descrito anteriormente. O
que se pode observar na Figura 7.4 é que a taxa de absorção foi mais lenta por causa da
menor superfície de contato, mas a adsorção máxima é atingida em aproximadamente 7
dias. Nos dados numéricos de absorção foi notado que a absorção na membrana começa
a decair a partir do quarto dia de contato.
Em função do exposto optou-se por realizar ensaios de difusão curtos que não
excedessem 4 dias, principalmente em ensaios com grau de saturação elevado.
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0 2 4 6 8 10 12 14
Tempo (dias)
Adsorção (%)
10 g
3 g - Membrana
Figura 7.4 – Capacidade de adsorção de água por parte da sílica.
182
7.2.5. Teste avaliando a influência da temperatura ambiente
A Figura 7.5(a) descreve a variação da concentração do oxigênio com o tempo em uma
célula com membrana de sílica nos sensores 2 e 3 e sem membrana de sílica nos
sensores 1 e 4. A membrana de sílica, mostrada na Figura 6.8(b), nada mais é do que
uma peça de acrílico composta por uma câmara, onde é colocada a sílica gel, e duas
roscas para fixação na célula e no sensor. Como resultado, observa-se que, após a
substituição da sílica pela água a leitura dos sensores 2 e 3 (com membrana de sílica),
mantém-se estável à medida que os sensores 1 e 4 apresentam uma queda na
concentração do oxigênio proporcional ao observado na Figura 7.3. A partir do quinto
dia de ensaio (quarto dia em contato com a água), a temperatura começa a estabilizar em
função da colocação da célula no banho com água e no isopor, mas a concentração nos
sensores 2 e 3 começa a cair, provavelmente provocada pela saturação da membrana de
sílica. Outro fator observado é que, com o acréscimo da temperatura, ocorre um
decréscimo na concentração de oxigênio como pode ser observado na Figura 7.5, com
maior nitidez no sexto dia de ensaio. Esse comportamento está de acordo com o
apresentado na Figura 6.12.
Na Figura 7.5 (b) observa-se a variação da temperatura durante o ensaio, onde a célula
foi colocada em diferentes ambientes: a) célula exposta ao ar inicialmente com sílica (1
dia) e depois com água; b) a célula com água imersa em recipiente com água; c) célula
com água no interior de uma caixa de isopor. Observa-se uma menor variação da
temperatura ambiente na condição da caixa de isopor seguida pela imersão em banho.
O que difere os ensaios apresentados nas Figuras 7.3 e 7.5, é que no primeiro a
oscilação térmica foi de 25,6
±
0,3 graus Celsius e segundo, foi de 26,2
±
0,4. Essa
oscilação da temperatura ocorreu porque a temperatura externa à sala no segundo ensaio
era maior, e o ar condicionado não estava mantendo a temperatura programada de 25
0
C.
Isso ocasionou consequentemente a oscilação na concentração.
7.2.6.Teste avaliando a influência do solo no interior da célula
Nesta configuração de ensaio foi montada uma célula com solo e observado o
decréscimo da concentração no reservatório nos quatro sensores utilizando o sistema de
aquisição de dados tal como apresentado na Figura 7.2(d) com aquisição manual. A
quantidade de solo utilizada não foi considerada porque buscava observar se o
decréscimo da concentração de oxigênio era diferente da situação em contato com água,
o que confirmaria a atividade microbiológica. A Figura 7.6 descreve o resultado obtido.
O ensaio teve início com a medição da concentração de oxigênio na célula fechada e
vazia. Depois de 15 horas foi adicionada a cinza com umidade em torno de 40%. O que
se observa é uma queda constante da concentração de oxigênio nos quatro sensores e de
forma compatível. Comparando com o ensaio de umidade relativa e resposta do sensor,
observa-se que o decréscimo máximo da concentração de oxigênio normalizada
ocorrida foi de 0,035 e que esta praticamente estabilizou em 24 horas. Neste ensaio,
após a colocação do solo, observa-se uma queda brusca na leitura do sensor atingindo o
valor de 0,99 da concentração normalizada, mas a leitura continua caindo com uma taxa
constante atingido o valor de 0,89 no final do ensaio, sendo atribuída essa diferença à
atividade microbiológica.
183
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
1.02
1.04
1.06
1.08
1.10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio Normalizada
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
Secagem
Sem isolamento térmico
Recipiente com água
Isopor
Saturação da sílica
Célula com água
(a)
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (dias)
Temperatura (
0
C)
Temp.
Secagem Sem isolamento térmico Recipiente com água Isopor
Saturação da sílica
Célula com água
(b)
Figura 7.5 – Influência da umidade relativa na resposta dos sensores com e sem membrana de
sílica (a) e da temperatura ambiente na célula com água (b).
184
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
0 1 2 3 4 5 6 7
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio Normalizada
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
Célula com soloAr
(a)
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
0 1 2 3 4 5 6 7
Tempo (dias)
Temperatura (
0
C)
Temp.
Célula com solo
Ar
(b)
Figura 7.6 – Influência do solo na resposta dos sensores com monitoramento contínuo (a) e da
temperatura ambiente (b).
185
7.2.7. Determinação do decréscimo da concentração nos reservatórios.
Foi observado que, durante o ensaio de difusão, ocorria uma perda de concentração
quando se somava a concentração do reservatório inferior e superior. Isso somente
poderia ser explicado pela presença da atividade microbiológica, conforme apresentado
no item 7.2.6. A Figura 7.7 descreve o resultado do ensaio 22 da Cinza Grossa (S=0,94)
e 10 da Jazida Picollo (S = 0,82). Nota-se que no ensaio com a Cinza Grossa, após
atingido o tempo de 25 horas, praticamente não ocorreu variação da concentração de
oxigênio normalizada. O ensaio com a Jazida Picollo após atingir o equilíbrio da
concentração normalizada nos reservatórios fonte e coleta apresenta um decréscimo de
concentração nestes reservatórios.
y = 0.4688e
-0.002x
R
2
= 0.7703
y = 0.8863e
-0.0007x
R
2
= 0.1627
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
0 5 10 15 20 25 30 35
Tempo (h)
Concentração Normalizada de Oxigênio
Cinza - Ensaio 22
Soma dos Reservatórios
Fonte + Coleta
Reservatório Fonte
(a)
y = 0.4517e
-0.0042x
R
2
= 0.9847
y = 0.9017e
-0.0036x
R
2
= 0.9573
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Jazida Picollo - Ensaio 10
Reservatório
Fonte
Soma dos Reservatórios
Fonte + Coleta
(b)
Figura 7.7 – Decréscimo da concentração no ensaio de difusão com concentração variável,
onde (a) corresponde ao ensaio 22 da Cinza Grossa (S=0,94%) e (b) ensaio 10 da Jazida Picollo
(S = 0,82%).
Medida Conc. Fonte
Medida Conc. Coleta
Medida Conc. Fonte
Medida Conc. Coleta
186
Nesta tese, sugere-se a determinação do consumo depois de concluído o ensaio de
difusão, aproveitando o corpo de prova. Esta técnica se mostrou viável após a análise
paramétrica apresentada no ANEXO IV. Supondo que a taxa de consumo é uma reação
de primeira ordem, conforme descrito no item 6.2.1. a inclinação da reta (s) no gráfico
ln C
versus
tempo pode ser relacionada a esta taxa de consumo. Esta inclinação também
pode ser obtida no gráfico da Concentração Normalizada
versus
tempo com um ajuste
exponencial realizado com auxílio do programa Excel.
Na análise paramétrica, realizada no ANEXO IV, conclui-se que aplicando a equação
proposta por ELBERLING
et al.
(1994), a partir da inclinação da curva resultante no
gráfico Ln C
versus
o tempo, o resultado final é bastante distante do real. ROLSTON
(1986b) propõe um fator de correção para o cálculo do coeficiente de difusão que
considera a relação do volume do reservatório fonte e o volume do reservatório de
coleta.
Nesta análise paramétrica observou-se que a inclinação da curva, resultante no gráfico
Ln concentração normalizada
versus
tempo, depende da razão da altura dos
reservatórios com o solo e também do grau de saturação do material. Para considerar
estes fatores foram propostas duas correções. O fator F
K1
que considera a razão das
alturas do reservatório e do solo ensaiado. E o fator F
K2
cujo valor depende do grau de
saturação do solo ensaiado. As Equações 7.1 e 7.2 apresentam os fatores de correção
propostos.
F
k1
=
Σ
L
r
/ L
s
(Eq. 7.1)
F
k2
= valor (Eq. 7.2)
Onde: F
k1
– Fator de correção 1 (adimensional);
Σ
L
r
– Altura dos reservatórios (L);
L – comprimento da amostra (L);
F
k2
- Fator de correção 2 para S
≥
0,7 F
k2
= 1,05 e para S < 0,7 F
k2
= 1,12
(adimensional).
A taxa de consumo efetiva e total, e seus tempos de meia vida correspondentes podem
ser calculados a partir das Equações 7.3 e 7.4. Destaca-se que o programa POLLUTE
tem como dado de entrada o tempo de meia vida total (t*
1/2
) que pode ser calculado
utilizando a Equação 7.4.
K = sF
k1
F
k2
e t
1/2
= ln2/K (Eq. 7.3)
K* = K/
θ
eq
e t*
1/2
= ln2/K* (Eq. 7.4)
Foi realizado esse procedimento para a determinação do tempo de meia vida para todos
os ensaios e este valor foi utilizado como dado de entrada no programa POLLUTE para
determinação do coeficiente de difusão. Destaca-se aqui que, quando o ensaio foi
terminado antes da difusão cessar, esta determinação não pôde ser realizada. Neste caso,
o coeficiente de difusão foi determinado por ajuste com o programa POLLUTE
considerando os valores obtidos anteriormente.
187
7.3. Ensaios de difusão
Conforme apresentado no item 6.4.2., para facilitar a interpretação dos resultados
os,ensaios de difusão foram agrupados em:
ensaio em triplicata;
esterilizado;
umedecimento e secagem;
medida de sucção;
variando o teor de umidade e a massa específica aparente seca;
ensaio de difusão no resíduo.
7.3.1. Obtenção do coeficiente de difusão
A Figura 7.8 apresenta a nuvem com os pontos experimentais obtida no ensaio número
7 realizado na Cinza Grossa. Para facilitar a análise dos dados neste capítulo, optou-se
em representar com a linha contínua os dados experimentais obtidos no ensaio, onde a
concentração lida pelo sensor foi normalizada com relação à concentração do oxigênio
no ar, conforme apresentado na Figura 7.9. Os pontos na Figura 7.9 correspondem aos
dados previstos a partir do programa POLLUTE para um coeficiente de difusão (D
*
)
estimado, conforme apresentado no item 6.2.1.
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tempo (h)
Concentração Oxigênio (%) e Temperatura (
0
C)
Massa Finita-MF
Temp.- MF
Conc. Const.-CC
Temp.-CC
Figura 7.8 - Resultado do ensaio de difusão para a Cinza Grossa (ensaio 7), sob massa finita
(concentração variável) representada pelos pontos experimentais em azul e concentração
constante pelo rosa.
188
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 1 2 3 4 5 6
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
D* = 85
D* = 105
D* = 65
Cinza - Ensaio 7 - T1
(a)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 1 2 3 4 5 6
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
PS + DC
PS - DC
CC - DC
CF - DC
Cinza - Ensaio 7 - T1
(b)
Figura 7.9 – Resultado do ensaio 7 realizado na Cinza Grossa (S = 0,73) e a modelagem no
programa POLLUTE: (a) variando o coeficiente de difusão e mantendo o perfil do solo e
considerando o consumo de gás e (b) mantendo D* de 85 m
2
/s e variando o perfil de
concentração no solo (PS), concentração no solo igual ao reservatório de coleta (CC),
concentração no solo igual ao reservatório fonte (CF) e o consumo (DC).
A Figura 7.9 apresenta simultaneamente os ensaios com concentração constante e
variável na fonte que foram realizados no mesmo corpo de prova (Cinza Grossa –
Ensaio 7).
A Figura 7.9 (a) mostra a análise do ensaio considerando diferentes coeficientes de
difusão. O que se constata nesta figura é que o ensaio com concentração constante na
fonte é mais sensível à variação do coeficiente de difusão e é aproximadamente duas
vezes mais lento do que o de concentração variável (massa finita).
Concentração Constante
Massa Finita
Concentração Constante
Massa Finita
189
Ao passo que a Figura 7.9 (b) considera o perfil de concentração no solo e o consumo
(DC). O perfil do solo designado de PS foi considerado na modelagem do ensaio de
difusão e representa a colocação de um gradiente de concentração no solo, com valores
limites de topo e base referentes ao reservatório fonte e coleta, respectivamente. No
caso do termo CC significa que o perfil do solo foi modelado com a concentração do
reservatório de coleta e o termo CF significa que a concentração no solo é igual a
concentração do reservatório fonte. Conforme citado anteriormente, para saturações
variando de 0 a 0,6 a concentração no solo foi estimada como sendo igual à
concentração no reservatório de coleta; para saturações entre 0,6 e 0,9, o perfil de
concentração no solo foi definido utilizando a concentração do reservatório fonte e
coleta; e para saturação superior a 0,9, a concentração no solo foi considerada igual à
concentração do ar.
A influência da atividade microbiológica (DC) pode ser observada na Figura 7.9 (b)
como sendo pouco influente no resultado da modelagem final. Isso ocorre porque o grau
de saturação desse corpo de prova está em aproximadamente 70%, sendo a difusão
muito mais rápida do que o consumo. Mas em condições mais úmidas, quando a difusão
fica com valores compatíveis ao do consumo, considerar o consumo torna-se relevante
para a determinação do coeficiente de difusão conforme apresentado na Figura 7.10.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
PS-DC
PS+DC
CF+DC
CC+DC
Jazida Picollo - Ensaio 3
Figura 7.10 – Ensaio de difusão realizado com a Jazida Picollo com saturação de 0,94 (linha
contínua). E a modelagem no programa POLLUTE, (a) variando o coeficiente de difusão e (b)
variando o Perfil de concentração no solo (PS), concentração no solo igual ao reservatório de
coleta (CC), concentração no solo igual ao reservatório fonte (CF) e o consumo (DC)
representada por símbolos.
Na Figura 7.9(b) ao observar as simulações que consideram ou não o perfil de
concentração no solo e o consumo não é notada significativa diferença entre os
resultados obtidos quando se analisa o ensaio com concentração constante na fonte. Mas
ao observar o ensaio com concentração variável (massa finita) este mostrou-se sensível
tanto à atividade microbiológica em elevados graus de saturação, como ao perfil de
Fonte
Coleta
Fonte + Coleta
190
concentração no solo a baixas saturações. A Figura 7.9(b) sugere que ao considerar a
concentração do perfil e o consumo obtém-se a melhor previsão.
O que se destaca quando não se considera a concentração do perfil do solo, no ensaio de
concentração variável, a forma da curva de difusão se mantém, variando sim a sua
posição, ou seja, superestimando ou subestimando a concentração de equilíbrio. Já os
fatores referentes ao consumo (decréscimo da concentração), o coeficiente de difusão e
conteúdo de ar refletem-se na forma final da curva. O resultado da modelagem é
extremamente afetado pelos parâmetros coeficiente de difusão total (D
*
) e
θ
eq
(conteúdo
de ar equivalente), principalmente no trecho inicial do ensaio. Esses parâmetros são
inseridos no programa POLLUTE, o produto deles corresponde ao coeficiente de
difusão efetivo (D). A porosidade equivalente é composta por uma parcela que refere-se
aos poros preenchidos por ar e à outra parcela que é dada pelo produto da constante de
solubilidade do gás na água e os poros preenchidos por água. A porosidade equivalente
considera que parte do fluxo ocorre pela água e outra pelo ar. Essa aproximação deve
ser contemplada porque o programa POLLUTE considera o solo seco ou saturado. E, se
isso não for considerado, em elevados graus de saturação não seria possível o cálculo do
coeficiente de difusão.
Os ensaios de difusão foram realizados com concentração constante e variável na fonte,
e a análise considerando os elementos de consumo e perfil do solo, conforme
apresentado anteriormente. A Figura 7.11 e Tabela 7.1 descrevem os resultados de
coeficiente de difusão efetivo obtidos para a Cinza Grossa. Onde o parâmetro D*
(coeficiente de difusão total) é obtido a partir do ajuste dos dados experimentais com
auxílio do programa POLLUTE e D (coeficiente de difusão efetivo) é o produto da
porosidade equivalente (
θ
eq
) e o coeficiente de difusão total, conforme apresentado no
item 6.2.1.
1.29E-06
1.78E-08
7.91E-08
8.50E-07
4.25E-08
1.18E-07
6.21E-07
1.48E-06
6.47E-07
1.73E-07
4.20E-07
4.37E-07
4.20E-07
2.38E-07
2.26E-07
1.97E-07
4.35E-08
7.46E-07
3.48E-07
1.45E-08
3.48E-07
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
20 24 28 32 36 40 44 48 52
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%
90%80%
70%60% 50%
40%
30%
20%
Figura 7.11 - Posicionamento dos ensaios da Cinza Grossa com relação à curva de
compactação e seus respectivos coeficientes de difusão.
191
Tabela 7.1 – Características de moldagem nos ensaios da Cinza Grossa e valores de coeficiente
de difusão obtidos a partir da interpretação do ensaio.
Ensaio
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
) wi (%) Si (%) n
total
θ
θθ
θ
eq
D* m
2
/s D m
2
/s
1 1,060 39,57 87,17 0,481 0,076 2,85 x 10
-7
2,17 x 10
-8
4 0,960 36,75 66,55 0,530 0,189 2,22 x 10
-6
4,20 x 10
-7
5-A 0,930 35,68 60,91 0,545 0,224 2,70 x 10
-6
6,04 x 10
-7
5-D 0,930 16,63 28,39 0,545 0,395 2,92 x 10
-6
1,15 x 10
-6
5-E 0,930 10,55 18,01 0,545 0,450 3,23 x 10
-6
1,46 x 10
-6
5-F 0,930 8,80 15,02 0,545 0,466 3,42 x 10
-6
1,60 x 10
-6
7-T1 0,967 39,57 72,65 0,527 0,157 2,70 x 10
-6
4,23 x 10
-7
8-T1 0,961 39,56 71,78 0,530 0,163 2,70 x 10
-6
4,39 x 10
-7
9-T1 0,967 39,57 72,65 0,527 0,157 2,70 x 10
-6
4,23 x 10
-7
10-T2 0,998 40,24 78,51 0,512 0,123 1,90 x 10
-6
2,34 x 10
-7
11-T2 0,996 40,24 78,21 0,512 0,124 1,90 x 10
-6
2,36 x 10
-7
12-T2 1,003 40,24 79,29 0,509 0,118 1,90 x 10
-6
2,25 x 10
-7
13 0,807 40,01 53,37 0,605 0,293 4,41 x 10
-6
1,29 x 10
-6
14 0,991 43,71 84,12 0,515 0,096 8,24 x 10
-7
7,91 x 10
-8
15 1,003 33,86 66,71 0,509 0,180 4,12 x 10
-6
7,42 x 10
-7
16 0,834 30,39 42,83 0,592 0,347 4,28 x 10
-6
1,49 x 10
-6
17 1,008 35,09 69,82 0,507 0,165 7,93 x 10
-7
1,31 x 10
-7
18 0,783 46,05 58,46 0,617 0,268 3,17 x 10
-6
8,50 x 10
-7
19 0,958 46,05 83,07 0,531 0,105 4,12 x 10
-7
4,33 x 10
-8
20 0,958 34,99 63,12 0,531 0,207 3,01 x 10
-6
6,24 x 10
-7
21 0,965 46,01 84,15 0,528 0,099 4,44 x 10
-7
4,39 x 10
-8
22 1,092 39,86 93,51 0,465 0,044 5,07 x 10
-7
2,23 x 10
-8
23-A 0,946 45,81 80,71 0,537 0,118 9,51 x 10
-7
1,12 x 10
-7
23-B 0,946 30,82 54,30 0,537 0,255 2,54 x 10
-6
6,47 x 10
-7
23-C 0,946 23,28 41,01 0,537 0,324 3,33 x 10
-6
1,08 x 10
-6
23-D 0,946 14,47 25,49 0,537 0,405 4,60 x 10
-6
1,86 x 10
-6
23-E 0,946 8,09 14,25 0,537 0,463 5,39 x 10
-6
2,50 x 10
-6
24-A 1,003 33,74 66,48 0,509 0,182 3,17 x 10
-6
5,77 x 10
-7
24-B 1,003 22,22 43,78 0,509 0,293 4,12 x 10
-6
1,21 x 10
-6
24-C 1,003 14,23 28,04 0,509 0,371 4,60 x 10
-6
1,71 x 10
-6
24-D 1,003 5,84 11,51 0,509 0,452 5,39 x 10
-6
2,44 x 10
-6
25-A 1,067 41,43 92,53 0,478 0,051 3,49 x 10
-7
1,78 x 10
-8
25-C 1,067 29,89 66,76 0,478 0,170 1,01 x 10
-6
1,73 x 10
-7
25-D 1,067 22,67 50,63 0,478 0,244 2,03 x 10
-6
4,95 x 10
-7
25-E 1,067 18,34 40,96 0,478 0,288 3,17 x 10
-6
9,13 x 10
-7
25-F 1,067 12,72 28,41 0,478 0,346 4,76 x 10
-6
1,65 x 10
-6
25-G 1,067 9,27 20,70 0,478 0,382 5,07 x 10
-6
1,94 x 10
-6
26-A 1,007 33,35 66,23 0,507 0,182 1,90 x 10
-6
3,46 x 10
-7
26-B 1,007 38,65 76,75 0,507 0,131 6,34 x 10
-7
8,31 x 10
-8
26-C 1,007 38,95 77,35 0,507 0,128 1,90 x 10
-7
2,44 x 10
-8
27-A 0,963 47,89 87,24 0,529 0,083 1,74 x 10
-7
1,45 x 10
-8
27-B 0,963 51,89 94,53 0,529 0,046 3,17 x 10
-9
1,46 x 10
-10
28-A 0,979 39,96 75,12 0,521 0,143 2,22 x 10
-6
3,17 x 10
-7
28-B 0,979 34,18 64,25 0,521 0,197 3,01 x 10
-6
5,93 x 10
-7
28-C 0,979 26,07 49,01 0,521 0,274 3,01 x 10
-6
8,25 x 10
-7
28-D 0,979 22,18 41,69 0,521 0,311 3,01 x 10
-6
9,37 x 10
-7
28-E 0,979 16,82 31,62 0,521 0,361 3,01 x 10
-6
1,09 x 10
-6
28-F 0,979 11,17 21,00 0,521 0,416 3,01 x 10
-6
1,25 x 10
-6
28-G 0,979 6,50 12,22 0,521 0,459 3,01 x 10
-6
1,38 x 10
-6
28-H 0,979 2,40 4,51 0,521 0,499 4,28 x 10
-6
2,14 x 10
-6
29-EST-F 0,974 40,26 74,94 0,523 0,144 2,22 x 10
-6
3,20 x 10
-7
30-EST-N 0,972 39,33 72,92 0,524 0,155 1,59 x 10
-6
2,46 x 10
-7
Na Figura 7.12 e a Tabela 7.2 pode-se observar os resultados de coeficiente de difusão
obtidos para a Jazida Empresa.
1
92
4.88E-08
5.49E-08
4.44E-09
6.34E-10
1.45E-07
1.17E-07
6.15E-07
6.02E-09
2.75E-07
7.71E-08
3.17E-11
1.20E-08
4.36E-07
2.32E-07
3.80E-07
8.04E-07
5.82E-07
1.01E-06
5.52E-076.61E-07
5.77E-08
2.63E-07
3.75E-07
1.60
1.65
1.70
1.75
1.80
1.85
1.90
8 10 12 14 16 18 20
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%
60%
50%
40%
SECAGEM ATÉ 21-H
Figura 7.12 - Posicionamento dos ensaios da Jazida Empresa com relação à curva de
compactação e seus respectivos coeficientes de difusão.
Tabela 7.2 – Características de moldagem nos ensaios da Jazida Empresa e valores de
coeficiente de difusão e de tempo de meia vida obtidos a partir da interpretação do ensaio.
Ensaio
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
) wi (%) Si (%) n
total
θ
θθ
θ
eq
D* m
2
/s
D m
2
/s
1-EST-F 1,817 15,40 87,80 0,319 0,048 1,01 x 10
-6
4,87 x 10
-8
2-EST-N 1,804 15,48 86,30 0,324 0,054 1,01 x 10
-6
5,48 x 10
-8
3 1,758 18,08 93,26 0,341 0,033 1,36 x 10
-7
4,50 x 10
-9
4 1,796 18,08 99,43 0,327 0,013 4,76 x 10
-8
6,18 x 10
-10
5 1,668 18,08 80,51 0,375 0,083 1,74 x 10
-6
1,45 x 10
-7
6 1,841 12,78 75,97 0,310 0,083 1,43 x 10
-6
1,18 x 10
-7
7 1,668 12,78 56,91 0,375 0,169 2,85 x 10
-6
4,82 x 10
-7
8 1,702 10,20 47,98 0,362 0,194 3,17 x 10
-6
6,15 x 10
-7
9 1,791 16,33 89,04 0,328 0,046 1,33 x 10
-7
6,13 x 10
-9
10 1,643 16,33 69,88 0,384 0,125 2,22 x 10
-6
2,77 x 10
-7
11 1,726 16,33 79,88 0,353 0,080 9,51 x 10
-7
7,61 x 10
-8
13 1,837 14,59 86,12 0,311 0,052 1,11 x 10
-6
5,77 x 10
-8
14 1,876 14,59 92,29 0,297 0,032 3,81 x 10
-7
1,22 x 10
-8
15 1,696 14,59 67,96 0,364 0,125 3,49 x 10
-6
4,36 x 10
-7
16 1,756 14,59 75,00 0,342 0,094 1,90 x 10
-6
1,79 x 10
-7
17 1,813 11,07 62,68 0,320 0,126 3,01 x 10
-6
3,80 x 10
-7
18 1,670 11,07 49,45 0,374 0,195 4,12 x 10
-6
8,04 x 10
-7
19 1,757 11,07 57,00 0,341 0,153 3,81 x 10
-6
5,82 x 10
-7
20 1,619 11,07 45,61 0,393 0,220 4,60 x 10
-6
1,01 x 10
-6
21-A 1,831 14,67 85,69 0,313 0,053 2,06 x 10
-6
1,09 x 10
-7
21-B 1,831 13,64 79,67 0,313 0,071 3,65 x 10
-6
2,59 x 10
-7
21-C 1,831 12,55 73,31 0,313 0,091 4,12 x 10
-6
3,75 x 10
-7
21-D 1,831 11,15 65,13 0,313 0,116 4,76 x 10
-6
5,52 x 10
-7
21-E 1,831 9,82 57,36 0,313 0,139 4,76 x 10
-6
6,61 x 10
-7
21-F 1,831 6,31 36,86 0,313 0,201 4,76 x 10
-6
9,56 x 10
-7
21-G 1,831 2,12 12,38 0,313 0,275 4,76 x 10
-6
1,31 x 10
-6
21-H 1,831 1,86 10,86 0,313 0,280 4,76 x 10
-6
1,33 x 10
-6
A Figura 7.13 e Tabela 7.3 descrevem os resultados de coeficiente de difusão obtidos para a
Jazida Empresa.
193
5.19E-06
6.74E-07
2.55E-05
3.04E-06
4.54E-09
3
.
9
2
E
-
0
5
9.15E-06
2.18E-05
3.31E-053.09E-05
1.79E-05
1.79E-05
3.18E-053.63E-05
3.96E-08
1
.
1
0
E
-
0
6
2
.
0
1
E
-
0
5
3.89E-05
2.72E-05
1.34
1.36
1.38
1.40
1.42
1.44
1.46
18 20 22 24 26 28 30 32 34
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%
90%
80%
70%60%
?
100%
90%
80%
70%60%
SECAGEM ATÉ 17-H
Figura 7.13 - Posicionamento dos ensaios da Jazida Picollo com relação à curva de
compactação e seus respectivos coeficientes de difusão.
Tabela 7.3 – Características de moldagem nos ensaios da Jazida Picollo e valores de coeficiente
de difusão e de tempo de meia vida obtidos a partir da interpretação do ensaio.
Ensaio
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
wi (%) Si (%) n
total
θ
θθ
θ
eq
D* m
2
/s
D m
2
/s
1 1,398 30,51 93,06 0,458 0,045 2,85 x 10
-9
1,28 x 10
-10
2 1,364 30,51 88,26 0,472 0,070 3,81 x 10
-7
2,66 x 10
-8
3 1,418 29,95 94,25 0,451 0,040 4,76 x 10
-8
1,90 x 10
-9
4 1,365 25,35 73,45 0,471 0,136 1,87 x 10
-6
2,54 x 10
-7
5 1,389 29,95 90,08 0,462 0,060 7,93 x 10
-8
4,76 x 10
-9
6 1,368 29,95 87,18 0,470 0,074 2,22 x 10
-7
1,64 x 10
-8
7 1,431 29,95 96,19 0,446 0,031 3,17 x 10
-10
9,83 x 10
-12
8 1,375 21,39 62,94 0,467 0,183 2,85 x 10
-6
5,22 x 10
-7
9 1,406 25,35 78,29 0,455 0,111 1,43 x 10
-6
1,58 x 10
-7
10 1,433 25,35 81,67 0,445 0,094 6,34 x 10
-7
5,96 x 10
-8
11 1,378 25,35 74,95 0,466 0,129 1,59 x 10
-6
2,05 x 10
-7
12 1,393 21,39 64,73 0,460 0,172 2,38 x 10
-6
4,09 x 10
-7
13 1,424 21,39 67,95 0,448 0,153 2,22 x 10
-6
3,40 x 10
-7
14 1,362 21,39 61,68 0,472 0,191 2,85 x 10
-6
5,45 x 10
-7
15-EST-F 1,413 25,64 80,06 0,453 0,103 1,27 x 10
-6
1,31 x 10
-7
16-EST-N 1,414 25,21 78,84 0,452 0,108 1,27 x 10
-6
1,37 x 10
-7
17-A 1,432 23,41 75,30 0,445 0,121 1,90 x 10
-6
2,30 x 10
-7
17-B 1,432 22,11 71,12 0,445 0,138 2,22 x 10
-6
3,06 x 10
-7
17-C 1,432 18,47 59,41 0,445 0,190 2,54 x 10
-6
4,82 x 10
-7
17-D 1,432 14,77 47,51 0,445 0,240 2,54 x 10
-6
6,09 x 10
-7
17-E 1,432 11,54 37,12 0,445 0,285 3,65 x 10
-6
1,04 x 10
-6
17-F 1,432 7,20 23,16 0,445 0,345 4,12 x 10
-6
1,42 x 10
-6
17-G 1,432 5,11 16,44 0,445 0,374 4,60 x 10
-6
1,72 x 10
-6
17-H 1,432 2,24 7,21 0,445 0,414 5,07 x 10
-6
2,10 x 10
-6
A Tabela 7.4 descreve os resultados para o Rejeito Fino Peneirado.
Tabela 7.4 – Característica de moldagem do Rejeito Fino Peneirado e valores de coeficiente de
difusão e de tempo de meia vida obtidos a partir da interpretação do ensaio.
Ensaio
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
wi (%) Si (%) n
total
θ
θθ
θ
eq
D* m
2
/s D m
2
/s
Rejeito 1,393 12,22 43,82 0,388 0,224 2,52 x 10
-6
5,65 x 10
-7
194
Observando os resultados do coeficiente de difusão com relação à curva de
compactação apresentados nas Figuras 7.11, 7.12 e 7.13 destaca-se, que:
para um mesmo teor de umidade, ao aumentar a massa especifica ocorre um
aumento do grau de saturação em função da diminuição da porosidade e uma
diminuição do coeficiente de difusão. A variação do coeficiente de difusão é
mais marcante quando se observa teores de umidade mais elevados;
para uma mesma massa específica ao aumentar o teor de umidade ocorre um
aumento do grau de saturação e uma diminuição do coeficiente de difusão,
mesmo acima da umidade ótima onde a porosidade tende a aumentar;
para ensaios moldados com mesmo grau de saturação, e que tem massa
específica aparente seca e teor de umidade distintos, possuem coeficiente de
difusão semelhante.
A estrutura obtida a partir da compactação estática em diferentes massas específicas e
teores de umidade foi observada em Microscópio de Varredura Eletrônica, conforme
apresentado no item 5.6.2, após cessado o ensaio de difusão. Destaca-se que nesta
análise somente foi visualizada a distribuição dos poros nos aumentos 35X, 200X e
350X empregados. No teor de umidade mais baixo ocorrem poros de tamanhos
distintos, contudo, conforme aumenta a massa específica e o teor de umidade do corpo
de prova o tamanho e o número de poros diminuem como era de se esperar. Mas, acima
da umidade ótima, observa-se um aumento na porosidade total, onde os poros são
uniformes e são maiores do que os obtidos na umidade ótima e menores do que os
obtidos no ramo seco. Os poros e os agregados conferem ao material uma estrutura em
alvéolos. A Cinza Grossa por se tratar de um material granular, somente permitiu a
observação do grão, que se mostrou poroso, e aparentemente estes poros não estão
interconectados.
7.3.2. Ensaio em triplicata
Antes do ensaio de triplicata, realizou-se um teste quanto à repetibilidade do ensaio com
o mesmo corpo de prova, conforme apresentado na Figura 7.14, para o ensaio 8 com a
Cinza Grossa. No teste de repetibilidade na mesma célula, depois de atingido o
equilíbrio no ensaio com massa finita do primeiro teste (Teste 1), este foi reiniciado,
aplicando uma purga no reservatório fonte e coleta, com o intuito de confirmar o
resultado do Teste 1.
Observa-se na Figura 7.14 que estes ensaios apresentaram uma boa repetibilidade dos
resultados com desvio inferior a 2,5%. Outros testes semelhantes a esse foram
realizados no decorrer desse trabalho sendo observado resultado semelhante. Em alguns
ensaios o valor medido pelo sensor colocado na fonte foi diferente do medido no
reservatório de coleta na condição de equilíbrio, isso ocorre devido a um desvio entre os
sensores utilizado que não excedeu 0,1% da concentração normalizada.
No ensaio em triplicata, três células foram moldadas com a Cinza Grossa no intuito de
terem o seu coeficiente de difusão determinado sob a mesma condição de moldagem em
corpos de prova diferentes. Esses ensaios foram realizados em dois testes distintos,
sendo apresentados na Figura 7.15 os resultados do segundo teste (T2) denominados
ensaios 10-T2, 11-T2 e 12-T2. O que se observa na Figura 7.15 é uma boa
195
repetibilidade dos resultados, contudo com desvio de coeficiente de difusão superior ao
obtido a partir de dois ensaios consecutivos.
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 1 2 3 4 5 6
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza - Ensaio 8 - T1 (Teste 1)
(a)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 1 2 3 4 5 6
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza - Ensaio 8 - T1 (Teste 2)
(b)
Figura 7.14 – Teste da repetibilidade no mesmo corpo de prova para o ensaio 8 com a Cinza
Grossa onde em (a) teste 1 e (b) teste 2.
196
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 2 4 6 8 10 12
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza - Ensaio 10 - T2
(a)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10 12
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza - Ensaio 11 - T2 (Teste 2)
(b)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10 12
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza - Ensaio 12 - T2
(c)
Figura 7.15 – Representação gráfica da concentração normalizada de oxigênio com o tempo
para os ensaios 10, 11 e 12 na Cinza Grossa correspondente ao segundo ensaio de triplicata.
197
7.3.3. Esterilizado
Este ensaio foi realizado tentando obter a umidade ótima e a massa específica aparente
máxima em duas células distintas, uma com amostra esterilizada com formaldeído e a
outra com a amostra natural. Os ensaios foram realizados simultaneamente, e supõe-se
que o coeficiente de difusão seja o mesmo e que a diferença seja encontrada na taxa de
consumo que se reflete na variação da concentração nos reservatórios. A condição
esterilizada e natural corresponde, respectivamente, aos ensaios 1 e 2 da Jazida Empresa
e 15 e 16 da Jazida Picollo, 19 e 20 da Cinza Grossa, onde as características de
moldagem podem ser observadas na Tabela 7.5, além dos coeficientes de difusão e taxa
de consumo.
Tabela 7.5 – Característica dos corpos de prova moldados e coeficiente de difusão e taxa de
reação encontrada para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa na condição esterilizada
(F) e normal (N).
Ensaio
ρ
ρρ
ρ
s
(g/cm
3
)
wi (%) Si (%) n
total
θ
θθ
θ
eq
D* m
2
/s D m
2
/s
JE 1-EST-F 1,817 15,40 87,80 0,319 0,048 1,01x10
-6
4,87x10
-8
JE 2-EST-N 1,804 15,48 86,30 0,324 0,054 1,01x10
-6
5,48x10
-8
JP 15-EST-F 1,413 25,64 80,06 0,453 0,103 1,27x10
-6
1,31x10
-7
JP 16-EST-N 1,414 25,21 78,84 0,452 0,108 1,27x10
-6
1,37x10
-7
CG 29-EST-F 0,974 40,26 74,94 0,523 0,144 2,22x10
-6
3,20x10
-7
CG 30-EST-N 0,972 39,33 72,92 0,524 0,155 1,59x10
-6
2,46x10
-7
Como medida de controle, antes e após estes ensaios foi realizada a contagem
microbiológica para certificar que não houve contaminação durante a preparação do
ensaio. O resultado encontra-se na Tabela 5.29, onde se destaca que a Jazida Empresa
depois de seca encontrava-se esterilizada, e que a Jazida Picollo e Cinza Grossa no
estado natural apresentaram o número de unidades formadoras de colônia de 1x10
5
e
2x10
5
, respectivamente, ou seja, apresentam atividade semelhante. E quando adicionado
o formaldeído 3%, manteve-se esterilizado durante o ensaio que não acusou unidades
formadoras de colônias após a sua conclusão para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e
Cinza Grossa.
As Figuras 7.16, 7.17 e 1.18 apresentam os resultados dos ensaios de difusão no
material esterilizado com formaldeído (a) e normal (b) para a Jazida Empresa, Jazida
Picollo e Cinza Grossa, respectivamente.
O coeficiente de difusão total para a Jazida Empresa e Picollo obtidos são iguais na
condição normal e esterilizada. Isto deveria ser diferente, ou seja, o coeficiente de
difusão total diferente e o efetivo igual. Contudo a diferença é tão pequena que fica a
cargo da observação visual da pessoa que interpreta o ensaio. Já para a Cinza Grossa o
coeficientes de difusão total (D
*
) e efetivo (D) são diferentes. Isto ocorre por causa da
condição de moldagem dos corpos de prova que não foram semelhantes na condição
normal e esterilizada, como ocorrido para a Jazida Picollo e Jazida Empresa.
198
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
sem consumo
com consumo
Jazida Empresa
1-EST-F
(a)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
sem consumo
com consumo
Jazida Empresa
2-EST-N
(b)
Figura 7.16 - Resultados dos ensaios de difusão com a Jazida Empresa esterilizada com
formaldeído (a) e normal (b).
199
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
sem consumo
com consumo
Jazida Picollo
15-EST-F
(a)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
com consumo
sem consumo
Jazida Picollo
16-EST-N
(b)
Figura 7.17 - Resultados dos ensaios de difusão com a Jazida Picollo esterilizada com
formaldeído (a) e normal (b).
200
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
sem consumo
com consumo
Cinza Grossa
29-EST-F
(a)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
sem consumo
com consumo
Cinz Grossa
30-EST-N
(b)
Figura 7.18 - Resultados dos ensaios de difusão com a Cinza Grossa esterilizada com
formaldeído (a) e normal (b).
7.3.4. Umedecimento e secagem
Este ensaio pretende avaliar o coeficiente de difusão no solo sob diversos graus de
saturação na mesma porosidade total. Neste sentido, optou-se por moldar um único
corpo de prova e submetê-lo ao umedecimento ou à secagem. A Figura 7.19 apresenta
os resultados de coeficiente de difusão efetivos obtidos com relação à curva de
compactação para a condição de umedecimento e secagem. Ao passo que a Figura 7.20
apresenta os resultados de coeficiente de difusão efetivo com relação ao grau de
saturação.
201
6.04E-07**1.15E-06
1.12E-071.08E-061.86E-062.50E-06
5.77E-071.21E-061.71E-062.44E-06
1.78E-08*1.73E-074.95E-079.13E-071.65E-061.94E-06
8.31E-08
3.17E-071.09E-061.25E-061.38E-06
1.46E-06
1.60E-06
3.46E-07
2.44E-08
1.45E-08
1.46E-10
8.25E-07
9.37E-07
2.14E-06
0.850
0.900
0.950
1.000
1.050
1.100
1.150
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Teor de Umidade (%)
Massa Específica Seca (g/cm
3
)
100%90%80%70%60%50%
40%
30%20%
CINZA
SECAGEM - Ensaios 5 , 23, 24, 25 e 28
UMIDECIMENTO - Ensaios 26 e 27
10%
Figura 7.19 – Coeficientes de difusão efetivos obtidos nos ensaios de secagem e umedecimento
com relação à curva de compactação para a Cinza Grossa.
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Ensaio 5
Ensaio 23
Ensaio 24
Ensaio 25
Ensaio 26
Ensaio 27
Ensaio 28
?
Água
Ar
Figura 7.20 – Coeficientes de difusão efetivos obtidos nos ensaios de secagem e umedecimento
para a Cinza Grossa com relação ao grau de saturação.
Os valores obtidos no trecho correspondente ao grau de saturação abaixo de 0,7
apresentaram menor variabilidade no resultado. No trecho acima de 0,7 de grau de
saturação, observa-se um valor muito baixo do coeficiente de difusão do oxigênio no
ensaio 27 com grau de saturação de 95%, principalmente quando se compara com o
valor obtido no ensaio 25 com 93% de grau de saturação. Aparentemente, houve algum
problema no ponto mais úmido do ensaio 25, porque se esperaria um coeficiente de
difusão mais baixo já que a mesma amostra, com grau de saturação de 75%, apresentou
o menor coeficiente de difusão.
?
202
Todos esses ensaios foram reunidos e analisados com relação a modelos lineares e não
lineares de equações simplificadas com relação à difusividade (D/D
0-ar
), conforme foi
apresentado na Tabela 6.4. Os resultados obtidos a partir dos ajustes são apresentados
na Figura 7.21. A Tabela 7.6 descreve o resultado da análise estatística desses ajustes.
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Secagem e Umedecimento
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.21 – Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar segundo ajuste linear,
potência, exponencial e TROEH
et al.
(1982).
Tabela 7.6 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os ensaios com a Cinza
Grossa nas condições de secagem e umedecimento.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio médio(MD) 6x10
-8
7x10
-4
-4x10
-2
8x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,852 0,855 0,811 0,823
Erro da Média Geométrica (GMER) 1,628 1,507 0,407 1,740
A maioria dos ajustes apresenta desvio médio positivo e com valores próximos de zero,
ou seja, superestimam os valores experimentais. O melhor ajuste, com relação à média,
é o linear. O ajuste potência, entretanto, apresentou-se melhor quando se consideram a
correlação linear e o erro da média geométrica, podendo ser definido desse modo como
o melhor ajuste da difusividade para o ensaio de umedecimento e secagem com a Cinza
Grossa.
Também foram utilizados os modelos empíricos propostos por PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) para a
estimativa do coeficiente de difusão efetivo. A Figura 7.22 (a) mostra os resultados
desses ajustes com relação aos dados experimentais, onde a linha contínua indica que o
valor medido é igual ao estimado. A Figura 7.22 (b) apresenta os dados experimentais
segundo a curva teórica obtida, utilizando para a obtenção da curva teórica o valor
médio da porosidade de todos os ensaios de umedecimento e secagem realizados.
203
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penamn (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Dados
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.22 – Coeficientes de difusão medidos nos ensaios de difusão e previstos segundo
vários ajustes da literatura (a); e as curvas teóricas de coeficiente de difusão
versus
grau de
saturação previstas a partir dos ajustes da literatura para os ensaios realizados com a Cinza
Grossa (b) para os ensaios de umedecimento e secagem.
No ajuste não linear dos dados experimentais, para o modelo de NICHOLSON (1991)
foram obtidas as constantes
α
= 1,6614 e
β
= 0,1360 enquanto que para o modelo de
ELBERLING
et al.
(1994) foram encontrados
α
= 1,6600 e
τ
=0,1357. A diferença entre
os parâmetros, segundo os dois modelos, é pequena, de forma que os ajustes se
sobrepõem confirmando o que foi apresentado no item 6.2.3.
Observando a Figura 7.22 pode-se afirmar que os ajustes de PENMAN (1940b) e
MILLINGTON & QUIRK (1960) apresentam valores superestimados de coeficiente de
difusão, enquanto que os ajustes de ELBERLING
et al
. (1994) e NICHOLSON (1991)
apresentam um bom ajuste para os pontos com baixa saturação (S<0,7). Os modelos de
MILLINGTON & QUIRK (1961) e COLLIN & RASMUSON (1988) ajustam para os
pontos que ficam fora dos citados anteriormente, ou seja, para saturações acima de 0,7.
204
A Tabela 7.7 descreve a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994).
Tabela 7.7 – Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com a Cinza Grossa
nas condições de secagem e umedecimento.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 2x10
-5
2x10
-7
8x10
-7
8x10
-7
8x10
-9
8x10
-9
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,852 0,787 0,852 0,896 0,881 0,880
Erro da Média
Geométrica (GMER)
6,069 3,267 1,104 1,202 1,401 1,414
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
Na Tabela 7.7 observa-se uma superestimativa dos valores medidos de acordo com a
análise da média, mas os melhores ajustes são os de NICHOLSON (1991) e
ELBERLING
et al.
(1994). O ajuste que apresenta maior coeficiente de correlação é de
COLLIN & RASMUSON (1988), mas, olhando a Figura 7.23, observa-se que ele
superestima os valores a baixa saturação e subestima em alta. Isto ocorre também com o
ajuste de MILLINGTON & QUIRK (1961) que apresenta menor erro da média
geométrica. Nessa análise, o uso da estatística não foi conclusivo. Visualmente, o ajuste
de COLLIN & RASMUSON (1988) e MILLINGTON & QUIRK (1961) são melhores
para as saturações mais elevadas, à medida que NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et
al.
(1994) para as saturações mais baixas.
7.3.5. Medida de sucção
Buscou-se um grau de saturação em comum que se relacione a sucção e o coeficiente de
difusão. Este grau de saturação corresponderia ao ponto em que os poros com ar não
estejam conectados e o fluxo de gás ocorra pelos poros preenchidos por água.
Este ensaio foi realizado na Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa. O corpo de
prova utilizado foi moldado próximo à condição de umidade ótima e peso específico
seco máximo, não sofrendo umedecimento e, sim, secagem. O ensaio foi iniciado com o
primeiro ponto correspondente a condição da moldagem.
As Figuras 7.23, 7.24 e 7.25 mostram, respectivamente, os resultados obtidos para a
Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa considerando vários ajustes. Nessas
figuras, o gráfico (a) correlaciona os valores medidos de coeficiente de difusão com os
estimados pelos modelos empíricos, (b) correlaciona o coeficiente de difusão com o
grau de saturação medido e a partir de modelos empíricos e (c) correlaciona sucção
medida
versus
grau de saturação e o coeficiente de difusão versus grau de saturação. Os
ajustes utilizados para a curva grau de saturação
versus
sucção foi a de FREDLUND &
XING (1994) e para a curva grau de saturação
versus
coeficiente de difusão foi o ajuste
de NICHOLSON (1991).
205
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Ensaio 21
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Saturação
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
S
u
c
ç
ã
o
(
K
P
a
)
1E-010
1E-009
1E-008
1E-007
1E-006
1E-005
C
o
e
f
i
c
i
e
n
t
e
d
e
D
i
f
u
s
ã
o
E
f
e
t
i
v
o
(
m
2
/
s
)
Legenda
Sucção - Dados
Sucção - Ajuste
Difusão - Dados
Difusão - Ajuste
(c)
Figura 7.23 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos; e (c) relação entre a saturação e o coeficiente de
difusão e a sucção obtidos na célula de difusão para a Jazida Empresa.
206
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
Linear (Nicholson (1991))
Linear (Elberling et al. (1994))
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Ensaio 17
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Saturação
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
S
u
c
ç
ã
o
M
a
t
r
i
c
i
a
l
(
K
P
a
)
1E-010
1E-009
1E-008
1E-007
1E-006
1E-005
C
o
e
f
i
c
i
e
n
t
e
d
e
D
i
f
u
s
ã
o
E
f
e
t
i
v
o
(
m
2
/
s
)
Legenda
Dados - Sucção
Ajuste - Sucção
Dados - Difusão
Ajuste - Difusão
(c)
Figura 7.24 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos; e (c) relação entre sucção e a saturação obtidos
na célula de difusão para a Jazida Picollo.
207
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penamn (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
Ensaio 28
(b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Saturação
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
S
u
c
ç
ã
o
M
á
t
r
i
c
a
(
K
P
a
)
1E-010
1E-009
1E-008
1E-007
1E-006
1E-005
C
o
e
f
i
c
i
e
n
t
e
d
e
D
i
f
u
s
ã
o
E
f
e
t
i
v
o
(
m
2
/
s
)
Legenda
Dados - Sucção
Ajuste - Sucção
Dados - Difusão
Ajuste - Difusão
(c)
Figura 7.25 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos; e (c) relação entre sucção e a saturação obtidos
na célula de difusão para a Cinza Grossa.
Como realizado no ensaio de secagem, o coeficiente de difusão efetivo obtido foi
comparado com os previstos por PENMAN (1940b), MILLINGTON & QUIRK (1960),
MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN & RASMUSON (1988), NICHOLSON
(1991) e ELBERLING
et al.
(1994). Para observar qual o modelo que melhor se ajusta
aos dados experimentais, utilizou-se a análise estatística apresentada anteriormente.
208
Na análise do ensaio de difusão com controle de sucção, plotou-se um gráfico que
correlaciona a saturação com o coeficiente de difusão e a sucção. Para os materiais
estudados, foi encontrado o valor de 0,94
±
0,03 de grau de saturação correspondente à
inflexão da curva no gráfico do coeficiente de difusão
versus
grau de saturação,
enquanto que foi encontrado 0,94
±
0,05 para a curva grau de saturação
versus
sucção,
indicando correlação direta entre os parâmetros, sendo necessária uma pesquisa mais
detalhada sobre o assunto. Destaca-se que o desvio padrão em função da sucção foi
mais elevado do que o encontrado em função do grau de saturação.
Como a primeira inflexão na curva sucção
versus
grau de saturação pode ser
correlacionada ao ponto de entrada de ar, pode-se supor que os modelos estão
considerando este meio disponível para o fluxo à medida que a curva característica
mostra que os poros com ar não estão mais interconectados acima deste valor de
saturação.
Os modelos de previsão deveriam incorporar um fator limitante referente ao ponto de
entrada de ar, pois a partir dele o fluxo somente ocorreria por difusão de gás no líquido.
Os parâmetros de ajuste obtidos a partir do ensaio de difusão com sucção controlada,
segundo a equação de FREDLUND & XING (1994), foram apresentados anteriormente
no item 5.3.7.
As Tabelas 7.8 e 7.9 descrevem a análise estatística segundo de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) para os
ensaios de difusão com sucção controlada para a Jazida Empresa e Jazida Picollo,
respectivamente. O resultado da análise estatística da Cinza Grossa é o mesmo
apresentado na Tabela 7.6 para o ensaio de umedecimento e secagem.
Tabela 7.8 – Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com a Jazida Empresa
nas condições do ensaio com controle de sucção.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 1x10
-6
5x10
-7
9x10
-8
3x10
-7
7x10
-7
7x10
-7
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,994 0,939 0,991 0,877 0,993 0,992
Erro da Média
Geométrica (GMER)
2,731 1,098 0,3138 0,436 1,070 1,072
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
Tabela 7.9 – Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com a Jazida Picollo
nas condições do ensaio com controle de sucção.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 2x10
-6
2x10
-6
7x10
-7
7x10
-7
-8x10
-9
-2x10
-8
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,963 0,978 0,976 0,982 0,995 0,995
Erro da Média
Geométrica (GMER)
3,648 2.211 0,934 1,024 0,952 0,9126
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
209
A Figura 7.23 apresenta os resultados para o solo Jazida Empresa, dos modelos
estudados o de MILLINGTON & QUIRK (1960) tem boa correlação com os dados
experimentais no trecho final da curva, enquanto que NICHOLSON (1991) e
ELBERLING
et al.
(1994) para o trecho inicial com baixo grau de saturação. Fato
comprovado na Tabela 7.8 pelo coeficiente de correlação e erro da média geométrica.
Já para a Jazida Picollo (Figura 7.24) existe uma boa correlação para NICHOLSON
(1991) e ELBERLING
et al.
(1994) em condições de baixos graus de saturações,
seguido por MILLINGTON & QUIRK (1961) e COLLIN & RASMUSON (1988) para
altos graus de saturações. A Tabela 7.9 demonstra que esses modelos é que têm desvio
médio próximo de zero (os desvios são compensados), coeficiente de correlação e erro
da média geométrica próximos de 1.
7.3.6. Variando o teor de umidade e massa específica aparente seca
Foram ensaiados três solos distintos: Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa.
Nesta análise, cada material foi contemplado isoladamente e posteriormente analisado
em conjunto.
7.3.6.1. Jazida Empresa
Todos os ensaios de difusão realizados com o solo Jazida Empresa foram reunidos e são
apresentados na Figura 7.26, onde (a) mostra a correlação entre os valores medidos e
estimados segundo modelos consagrados da literatura e (b), os valores obtidos
versus
o
grau de saturação (b).
Na Tabela 7.10 pode-se observar a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN
(1940b), MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961),
COLLIN & RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994).
À medida que a Tabela 7.11 ilustra a análise estatística dos resultados de difusividade
(D/D
0-ar
) segundo modelos lineares e não lineares a Figura 7.27 permite a observação
das curvas de ajuste segundo os modelos lineares e não lineares.
Na Figura 7.26 observa-se que os modelos que melhor se ajustam são os de
MILLINGTON & QUIRK (1960), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994),
onde os dois últimos modelos citados apresentam a menor média e maior coeficiente de
correlação. Porém, é o modelo de MILLINGTON & QUIRK (1960) que apresenta o
valor de erro da média geométrica próximo de 1.
210
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Jazida Empresa
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.26 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos para a Jazida Empresa.
Tabela 7.10 – Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios da Jazida
Empresa.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 7x10
-7
1x10
-7
1x10
-7
1x10
-7
1x10
-8
2x10
-8
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,963 0,976 0,976 0,982 0,995 0,995
Erro da Média
Geométrica (GMER)
5,106 1,330 0,208 0,279 1,631 1,359
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
211
Tabela 7.11 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos os ensaios da
Jazida Empresa.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) 2x10
-8
4x10
-4
-2x10
-2
4x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,937 0,937 0,880 0,928
Erro da Média Geométrica (GMER) 1,568 1,407 0,8134 1,733
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Jazida Empresa
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.27 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a Jazida Empresa
segundo ajustes lineares e não lineares.
Com relação à difusividade, o gráfico da Figura 7.27 e a Tabela 7.11 mostram uma boa
correlação para os ajustes estudados, exceto para o exponencial, sendo este que
apresenta o menor erro da média geométrica.
7.3.6.2. Jazida Picollo
Todos os ensaios de difusão realizados com a Jazida Picollo foram reunidos e são
apresentados na Figura 7.28, onde (a) mostra a correlação entre os valores medidos e
estimados segundo modelos consagrados da literatura e (b), os valores obtidos
versu
s o
grau de saturação.
A Tabela 7.12 descreve a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), à medida que
a Tabela 7.13 e a Figura 7.29 apresentam os resultados do estudo de difusividade (D/D
0-
ar
) segundo modelos lineares e não lineares.
212
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Jazida Picollo
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.28 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos
para a Jazida Picollo.
Tabela 7.12 – Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios da Jazida
Picollo.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 1x10
-6
6x10
-7
1x10
-7
2x10
-7
5x10
-9
4x10
-9
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,951 0,982 0,929 0,910 0,997 0,992
Erro da Média
Geométrica (GMER)
14,201 4,063 0,625 3,706 2,212 2,175
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
213
Os melhores ajustes obtidos foram o de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), seguido por COLLIN & RASMUSON (1988), conforme observado na Figura
7.28. Essa observação é confirmada ao analisar a Tabela 7.12 onde esses modelos
apresentam o menor erro da média geométrica (valor próximo a 1), sendo que os dois
primeiros modelos citados são os que apresentam também a menor desvio médio e o
maior coeficiente de correlação.
Tabela 7.13 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos os ensaios da
Jazida Picollo.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) 7
x10
-4
3
x10
-4
-1
x10
-2
4
x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,951 0,993 0,964 0,988
Erro da Média Geométrica (GMER) 2,956 2,150 1,328 2,780
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Jazida Picollo
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.29 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a Jazida Picollo
segundo ajustes lineares e não lineares.
Os dados experimentais apresentaram boa correlação com os ajustes lineares e não
lineares, conforme observado na Figura 7.29 e Tabela 7.13, mas os valores de erro da
média geométrica obtidos na maioria dos casos foi superior a dois, onde somente o
ajuste exponencial apresentou valor próximo a 1.
7.3.6.3. Cinza
Os ensaios com a Cinza Grossa foram reunidos e depois discutidos separadamente com
relação às diferentes porosidades.
214
a) Reunidos
Todos os ensaios de difusão realizados com a Cinza Grossa foram reunidos e são
apresentados na Figura 7.30, onde (a) mostra a correlação entre os valores medidos e
estimados segundo modelos consagrados da literatura e (b), os valores obtidos
versus
o
grau de saturação.
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Cinza Grossa
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.30 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos
para a Cinza Grossa.
A Tabela 7.14 descreve a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994). À medida
que a Tabela 7.15 e a Figura 7.31 descrevem os resultados de difusividade (D/D
0-ar
)
segundo modelos lineares e não lineares.
215
Tabela 7.14 – Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios da Cinza
Grossa.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 2x10
-6
1x10
-6
4x10
-7
4x10
-7
1x10
-8
1x10
-8
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,879 0,862 0,776 0,797 0,887 0,882
Erro da Média
Geométrica (GMER)
6,272 2,701 0,675 0,798 1,433 1,443
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK e C-R – COLLIN & RASMUSON
Na Figura 7.30 observa-se que os modelos que melhor se ajustam são os de COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) tal como na
Jazida Picollo. Nota-se também uma maior dispersão dos dados experimentais com
relação aos modelos, provavelmente por causa da reunião de porosidades distintas.
Onde os ajustes de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) possuem o menor
desvio médio e o maior coeficiente de correlação, mas é o modelo de COLLIN &
RASMUSON (1988) que apresenta o valor de erro da média geométrica mais próximo
de 1.
Tabela 7.15 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos os ensaios da
Cinza Grossa.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) -3
x10
-08
7
x10
-4
-3
x10
-2
7
x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,880 0,880 0,827 0,841
Erro da Média Geométrica (GMER) 1,408 1,446 1,573 1,657
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Cinza Grossa
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.31 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a Cinza Grossa
segundo ajustes lineares e não lineares.
Com relação à difusividade, conforme apresentado na Figura 7.31, observa-se uma
maior dispersão dos dados experimentais. A análise estatística apresentada na Tabela
7.15 indica valores próximos de média, coeficiente de correlação e erro da média
geométrica, onde o ajuste linear foi o que apresentou melhor resultado seguido pelo
ajuste potência.
216
b) Porosidade 0,4
Todos os ensaios de difusão com porosidade de 0,4 da Cinza Grossa foram reunidos e
são apresentados na Figura 7.32 onde (a) mostra a correlação entre os valores medidos e
estimados segundo modelos consagrados da literatura e (b), os valores obtidos
versus
o
grau de saturação.
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m2/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Cinza Grossa - 0.4
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.32 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos com Cinza Grossa de porosidade 0,4.
A Tabela 7.16 demonstra a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), ao passo que
a Tabela 7.17 e a Figura 7.33 descrevem os resultados de difusividade (D/D
0-ar
) segundo
modelos lineares e não lineares.
217
Tabela 7.16 – Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com Cinza Grossa de
porosidade 0,4.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 2x10
-6
9x10
-7
3x10
-6
2x10
-7
-2x10
-9
-9x10
-10
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,879 0,979 0,986 0,992 0,996 0,994
Erro da Média
Geométrica (GMER)
8,013 0,473 0,473 0,598 0,597 0,603
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK E C-R – COLLIN & RASMUSON
Somente os modelos de PENMAN (1940b), MILLINGTON & QUIRK (1960) não
apresentaram bom ajuste conforme apresentado na Figura 7.33, onde os modelos de
COLLIN & RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994)
apresentaram valores semelhantes de média, coeficiente de correlação e erro da média
geométrica, conforme observado na Tabela 7.16. Destaca-se ainda, que os valores de
erro da média geométrica na maioria dos casos estão próximos de 1. O modelo de
MILLINGTON & QUIRK (1961) apresenta também bons resultados.
Tabela 7.17 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os ensaios com Cinza
Grossa de porosidade 0,4.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) 2x10
-8
-5x10
-5
-3x10
-2
9x10
-2
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,878 0,993 0,980 0,968
Erro da Média Geométrica (GMER) 1,932 0,598 0,337 7,167
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Cinza Grossa - 0.4
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.33 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a Cinza Grossa com
porosidade de 0,4 segundo ajustes lineares e não lineares.
Com relação à difusividade, conforme apresentado na Figura 7.34 e Tabela 7.17,
observa-se um melhor ajuste para potência que tem valor baixo de média, elevado do
coeficiente de correlação e erro da média geométrica próximo de 1, seguido pelo ajuste
exponencial.
218
c) Porosidade 0,5
Todos os ensaios de difusão com porosidade de 0,5 da Cinza Grossa foram reunidos e
são apresentados na Figura 7.34 que mostra em (a) a correlação entre os valores
medidos e estimados segundo modelos consagrados da literatura e em (b), os valores
obtidos
versus
o grau de saturação.
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1987)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Cinza Grossa - 0.5
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.34 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos; (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos
para os ensaios com Cinza Grossa de porosidade
0,5.
A Tabela 7.18 descreve a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994), à medida que
a Tabela 7.19 e a Figura 7.35 descrevem os resultados de difusividade (D/D
0-ar
) segundo
modelos lineares e não lineares.
219
Tabela 7.18 – Análise estatística dos modelos da literatura para os ensaios com Cinza Grossa de
porosidade 0,5.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio Médio (MD) 2x10
-6
1x10
-6
4x10
-7
4x10
-7
1x10
-8
1x10
-8
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,898 0,879 0,804 0,823 0,900 0,901
Erro da Média
Geométrica (GMER)
5,999 2,716 0,720 0,825 1,145 1,451
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK E C-R – COLLIN & RASMUSON
Na Tabela 7.18 observa-se que: todos os ajustes apresentam valores de desvio médio
baixo; que os modelos de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994)
apresentam maior correlação; e que MILLINGTON & QUIRK (1961) e COLLIN &
RASMUSON (1988) apresentam o valor de erro da média geométrica próximo a 1. Essa
diferença ocorre porque os dois primeiros modelos citados ajustam bem para o trecho
inicial e mal para o final, à medida que os dois últimos ajustam bem para o trecho final
e mal para o inicial, conforme observado na Figura 7.35. A separação por porosidade
permitiu uma maior correlação dos pontos experimentais no trecho final da curva
quando comparado com todos os ensaios reunidos.
Tabela 7.19 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para os ensaios com Cinza
Grossa de porosidade 0,5.
Estatística Linear Potência Exponencial
Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) -5x10
-9
6x10
-4
-3x10
-2
6x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,883 0,880 0,8364 0,8463
Erro da Média Geométrica (GMER) 2,303 2,436 0,523 1,562
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Cinza Grossa - 0.5
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al. (1982)
Figura 7.35 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para a Cinza Grossa com
porosidade de 0,5 segundo ajustes lineares e não lineares.
Com relação à difusividade, conforme observado na Figura 7.35, observa-se uma maior
dispersão dos dados experimentais. A análise estatística apresentada na Tabela 7.19
220
indica valores próximos de média e coeficiente de correlação, já com relação ao erro da
média geométrica tanto TROEH
et al.
(1982) quanto o ajuste exponencial, apresenta
valor próximo de 1.
7.3.6.4. Todos os ensaios reunidos
Os ensaios realizados apresentaram as seguintes características de porosidade e massa
específica aparente seca média para os materiais analisados: Jazida Empresa n = 0,334 e
ρ
s
= 1,773 g/cm
3
; Jazida Picollo n = 0,454 e
ρ
s
= 1,408 g/cm
3
; e Cinza Grossa n = 0,521
e e
ρ
s
= 0,979 g/cm
3
.
Destaca-se na Figura 7.36 o comportamento do coeficiente de difusão efetivo em função
da massa específica aparente seca e da porosidade total para os diferentes solos e a
Cinza Grossa ensaiados, onde a linha pontilhada representa a porosidade média dos
ensaios para cada material.
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Massa específica aparente seca (g/cm
3
)
D (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Porosidade total
D (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
(b)
Figura 7.36 – Coeficiente de difusão em função da massa específica aparente seca (a) e a
porosidade (b) para a Jazida Picollo, Jazida Empresa e Cinza Grossa.
Analisando os resultados nota-se, que para uma mesma porosidade ou massa específica
seca, o solo pode apresentar diferentes coeficientes de difusão. Conforme discutido
anteriormente, o coeficiente de difusão varia de forma mais significativa em função da
221
variação do grau de saturação, e não apresenta correlação nítida com a porosidade e a
massa específica.
Na Figura 7.37 nota-se que, ao elevar o teor de umidade volumétrico (a) ou
gravimétrico (b), o coeficiente de difusão efetivo se reduz, nos diferentes materiais
ensaiados. Não existindo uma correlação direta entre o coeficiente de difusão e o teor de
umidade.
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
Teor de Umidade Volumétrico
D (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
(a)
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00
Teor de Umidade Gravimétrico (%)
D (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
(b)
Figura 7.37 – Coeficiente de difusão efetivo em função do teor de umidade volumétrico (a) e
gravimétrico (b) para a Jazida Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa.
Quando o coeficiente de difusão é analisado em função do conteúdo de ar (poros
preenchidos por ar), conforme apresentado na Figura 7.38, o comportamento é o oposto
ao observado com a variação do teor de umidade. Ou seja, conforme diminui o volume
de poros preenchidos por ar, diminui também o coeficiente de difusão efetivo. Nota-se
que solos com menor porosidade total e mesmo conteúdo de ar têm coeficiente de
difusão efetivo inferior, demonstrando a influência da porosidade total e da estrutura
sobre o coeficiente de difusão. Este comportamento não se mostrou marcante no gráfico
em que o coeficiente de difusão foi correlacionado com a curva de compactação Figuras
7.11, 7.12 e 7.13. A variação do coeficiente de difusão em função da porosidade ocorre
222
ao longo de toda a curva, contudo é mais marcante no trecho final, correspondente ao
menor conteúdo de ar. Destaca-se que para um mesmo conteúdo de ar (0,08), variações
de até uma ordem de grandeza no coeficiente de difusão efetivo podem ser observadas
para solos de diferentes porosidades e texturas.
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
Porosidade preenchidos por ar
D (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
Figura 7.38 – Coeficiente de difusão efetivo em função do conteúdo de ar para a Jazida
Empresa, Jazida Picollo e Cinza Grossa.
Na Figura 7.39 são apresentados os resultados do ensaio de difusão em função do grau
de saturação, onde os símbolos cheios representam o coeficiente de difusão efetivo,
enquanto que o vazado, o coeficiente de difusão total (obtido utilizando o POLLUTE).
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação (%)
Coeficiente de Difusão (m
2
/s)
Dados - JP
Dados - JE
Dados - CG
Figura 7.39 – Coeficiente de difusão efetivo (símbolo preenchido) e total (símbolo vazado) em
função do grau de saturação para a Jazida Picollo, Jazida Empresa e Cinza Grossa.
Quando se analisa o comportamento da difusão em função do grau de saturação,
conforme apresentado na Figura 7.39, os resultados dos diferentes materiais se
aproximam mais ainda mostrando uma maior correlação. Existe uma tendência da
correlação indireta do coeficiente de difusão efetivo em função da porosidade, porque
no gráfico D x S, observa-se que quanto menor a porosidade maior o coeficiente de
difusão. E conforme aumenta o grau de saturação, diminui o coeficiente de difusão
223
efetivo, tal como observado no gráfico que correlaciona o coeficiente de difusão em
função do teor de umidade. Esta variabilidade do comportamento do coeficiente de
difusão em função da porosidade confirma então a dispersão dos dados de diversos
ensaios da literatura como pode ser observado em CABRAL
et al.
(2000), entre outros.
Conclui-se então que o coeficiente de difusão varia significativamente em função do
conteúdo de ar e do grau de saturação, sendo o comportamento mais uniforme quando
descrito em função do grau de saturação até valores próximos de 85%, onde acima deles
os resultados se tornam mais dispersos. Esse comportamento pode ocorrer devido à
dificuldade de se obter este parâmetro em elevados graus de saturação devido ao fluxo
de água concomitante à difusão.
A diferença do coeficiente de difusão, em função do grau de saturação, está diretamente
relacionada à eficiência do sistema de cobertura. Alguns autores como YANFUL (1993)
e O’KANE
et al.
(2002) afirmam que a camada barreira deve manter uma saturação
acima de 85%. Conforme observado na Figura 7.39, até 85% de grau de saturação o
coeficiente de difusão altera 1,5 ordem de grandeza e de 85% a 100% esta alteração
pode exceder 2,5 ordens de grandeza, dessa forma, para a cobertura ser eficiente, esta
deveria manter seu grau de saturação acima de 95% onde se observa a variação de
somente uma ordem de grandeza. Isso porque cada ordem de grandeza no coeficiente de
difusão se reflete em dez vezes mais massa que atinge o resíduo, aumentando assim a
acidez no resíduo e, se existir água disponível, o volume de drenagem ácida.
A Tabela 7.20 descreve a análise estatística segundo os ajustes de PENMAN (1940b),
MILLINGTON & QUIRK (1960), MILLINGTON & QUIRK (1961), COLLIN &
RASMUSON (1988), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994). Os valores
medidos e estimados segundo esses modelos consagrados da literatura (a) e os valores
obtidos
versus
o grau de saturação (b) para todos os ensaios de difusão são apresentados
na Figura 7.40.
Tabela 7.20 – Análise estatística dos modelos da literatura para todos os ensaios realizados.
Estatística Penman
(1940b)
M-Q
(1960)
M-Q (1961) C-R
(1988)
Nicholson
(1991)
Elberling
et al. (1994)
Desvio médio (MD) 2x10
-6
8x10
-7
2x10
-7
2x10
-7
1x10
-8
1x10
-8
Coeficiente de
correlação linear (R
2
)
0,881 0,887 0,841 0,789 0,889 0,904
Erro da Média
Geométrica (GMER)
7,445 2,519 0,487 6x10
-7
1,661 1,646
*- M-Q - MILLINGTON & QUIRK E C-R – COLLIN & RASMUSON
Ao passo que a Tabela 7.21 descrevem a análise estatística dos resultados de
difusividade (D/D
0-ar
) segundo modelos lineares e não lineares e a Figura 7.41 os
resultados segundo este modelo.
Tabela 7.21 – Análise estatística dos modelos lineares e não lineares para todos os ensaios
realizados.
Estatística Linear Potência Exponencial Troeh et al. (1982)
Desvio Médio (MD) 1x10
-4
6x10
-4
-2x10
-2
9x10
-4
Coeficiente de correlação linear (R
2
) 0,889 0,893 0,824 0,846
Erro da Média Geométrica (GMER) 1,748 1,668 0,925 2,122
224
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05
D Medido (m
2
/s)
D Previsto (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(a)
1.00E-16
1.00E-15
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Grau de Saturação
D (m
2
/s)
Todos Ensaios
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
(b)
Figura 7.40 – Gráficos que mostram: (a) correlação entre os valores medidos com os estimados
pelos modelos empíricos e em (b) correlação entre o coeficiente de difusão e a saturação com os
dados obtidos e a partir de modelos empíricos
para todos os ensaios realizados.
Quando se reúne todos os ensaios, o que se observa é a maior correlação com os
modelos de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) que são bastante
semelhantes e prevêm o comportamento na condição não saturada. Mas o modelo de
MILLINGTON & QUIRK (1961) apresenta uma melhor correlação no trecho final cuja
equação considera somente a porosidade e os poros preenchidos por ar.
Com relação à difusividade, conforme apresentado na Figura 7.41 observa-se uma
maior dispersão dos dados experimentais. A análise estatística apresentada na Tabela
7.21 indica a maior correlação para o ajuste potência e GMER para exponencial.
Da análise apresentada com relação à difusividade e os ajustes lineares e não lineares,
conclui-se que é indispensável o uso de programas estatísticos, que no caso desse
trabalho foi o programa Statigraphics Centrurion XV versão 15.1.02.
225
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
θ
θθ
θ
a
D/D
0-ar
Dados
Ajuste Linear
Ajuste Potência
Ajuste Exponencial
Ajuste Troeh et al (1981)
Figura 7.41 - Difusividade do gás ao ar com relação ao conteúdo de ar para todos os solos
reunidos.
7.3.7. Ensaio de difusão no rejeito
Esse estudo foi realizado para que fosse possível ter o sentimento do comportamento da
difusão em um material reativo como o Rejeito Fino Peneirado. O resultado do ensaio
encontra-se na Figura 7.42 e as características de moldagem do corpo de prova foram
apresentadas na Tabela 7.4.
A Figura 7.42 (a) apresenta o resultado do primeiro teste de difusão realizado no resíduo
com concentração variável na fonte. Cessado este ensaio, foi repetida a condição de
concentração variável na fonte (Teste 2) conforme apresentado na Figura 7.42 (b). Por
último, passou-se para a condição de concentração constante, como observado na Figura
7.42 (b). Existe um ótimo ajuste com relação à simulação quando se considera o
consumo.
O coeficiente de difusão efetivo (D = 5,7x10
-7
m
2
/s) obtido para o Rejeito Fino
Peneirado no grau de saturação correspondente ao ensaio está compatível com os
valores obtidos para a Cinza Grossa, Jazida Empresa e Jazida Picollo. A Figura 7.43
apresenta o resultado do coeficiente de difusão encontrado com relação a alguns
modelos da literatura, para a porosidade de 0,4. Os modelos que melhor previram o
valor encontrado foram o de ELBERLING
et al.
(1994) e NICHOSLON (1991)
considerando as constantes do modelo propostas pelos autores e MILLINGTON &
QUIRK (1961) considerando a porosidade do material.
226
y = 0.5815e
-0.0072x
R
2
= 1
y = 0.5816e
-0.0064x
R
2
= 1
y = 1.1595e
-0.0071x
R
2
= 0.9881
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Sem consumo
Com consumo - 10.3 h
Com consumo - 9.3 h
Expon. (10.3)
Expon. (9.2)
Expon. (Medido)
REJEITO - Teste 1
(a)
y = 0.4757e
-0.0071x
R
2
= 0.9998
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
REJEITO - Teste 2
(b)
Figura 7.42– Ensaio de difusão no Rejeito Fino Peneirado (a) concentração variável na fonte e
(b) concentração variável na fonte teste 2 e concentração constante.
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Grau de Saturação (S)
Coeficiente de Difusão Efetivo - D (m
2
/s)
Penman (1940)
Millington-Quirk (1960)
Millington-Quirk (1961)
Collin-Rasmuson (1988)
Nicholson (1991)
Elberling et al. (1994)
Rejeito Fino Peneirado
n = 0.4
Figura 7.43 – Comparação do resultado do coeficiente de difusão obtido com relação a alguns
modelos da literatura para o Rejeito Fino Peneirado.
227
7.4. Ensaios de consumo
Os ensaios de consumo foram interpretados conforme apresentado no item 6.4.3:
consumo na célula de difusão;
taxa máxima de consumo;
comparação solo normal e esterilizado;
consumo no rejeito.
7.4.1. Consumo na célula de difusão
O decréscimo da concentração no reservatório fonte e coleta pode ser atribuída a alguns
fatores que são: variação da temperatura, umidade no sensor e consumo por parte da
oxidação dos constituintes da fração sólida como matéria orgânica e minerais primários
sulfetados, por exemplo, ou pela atividade microbiológica. Os dois primeiros fatores
foram avaliados anteriormente. Neste item será avaliada a componente de reação do gás
com a fração sólida.
A determinação do termo de reação cinética pode ser feita quando cessada a difusão na
célula de reservatório duplo. A oxidação da pirita e a atividade microbiológica são
consideradas reações de primeira ordem, e são analisadas da forma explicitada no item
7.2.7. Essa análise foi possível porque depois de terminado o ensaio de difusão com
concentração variável na fonte a concentração foi monitorada com o tempo, e o
consumo foi determinado a partir do decréscimo dessa concentração com o tempo.
As Figuras 7.44 e 7.45 apresentam ensaios de difusão realizados na Cinza Grossa com
grau de saturação 0,81 e 0,66 respectivamente. Onde em (a) encontra-se o ensaio que foi
realizado com membrana de sílica (retirando a interferência da umidade no sensor) e em
(b), sem membrana de sílica. Até o ensaio número 23 com a Cinza Grossa não foi
utilizada a membrana de sílica, a partir deste ensaio este elemento foi incorporado.
Comparando os ensaios 23-A e 24-A, realizados com e sem a membrana, observa-se
que:
a) o uso da membrana de sílica indica uma taxa de consumo positiva
provavelmente por causa da eliminação do fator umidade no sensor, ficando
apenas o elemento consumo, vazamento e oscilação térmica;
b) a inclinação positiva indica que o consumo não está ocorrendo ou está
ocorrendo um vazamento ou que a taxa de consumo é menor que a oscilação em
função da temperatura.
c) como estes ensaios foram realizados simultaneamente, observa-se uma
tendência de oscilação em função da temperatura com valores semelhantes entre
os ensaios 23-A e 24-A.
As Figuras 7.46 e 7.47 apresentam ensaios de difusão da Jazida Empresa com grau de
saturação 0,86 e 0,68, respectivamente. Tal como na Cinza Grossa, o termo (a)
representa o ensaio que foi realizado com membrana de sílica (retirando a interferência
da umidade no sensor) e em (b), sem membrana de sílica. O que se observa é que os
ensaios realizados com a membrana de sílica foram encerrados em um tempo menor do
que o sem membrana. Contudo, nota-se uma variação positiva da concentração depois
de cessado os ensaios com o uso da membrana de sílica. O valor positivo pode indicar a
228
influência da variação térmica na leitura do sensor, e esses valores foram diferentes
porque esses ensaios foram realizados em dias distintos. Mas, quando não se coloca a
sílica, nota-se uma queda na leitura do sensor conforme era de se esperar (discussão nos
itens 7.2.3 e 7.2.6).
y = 0.4491e
0.0013x
R
2
= 0.8531
y = 0.9014e
0.0016x
R
2
= 0.9321
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza Grossa - Ensaio 23-A
Com Membrana Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(a)
y = 0.5538e
-0.0008x
R
2
= 0.9479
y = 1.1129e
-0.0012x
R
2
= 0.9832
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza Grossa - Ensaio 23-A
Sem Membrana Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(b)
Figura 7.44 – Consumo no ensaio de difusão 23-A da Cinza Grossa, onde em (a) realizado com
membrana de sílica e em (b) sem membrana de sílica.
229
y = 1.0983e
0.0007x
R
2
= 0.7919
y = 0.5508e
0.0009x
R
2
= 0.7864
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza Grossa - Ensaio 24-A
Com Membrana Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(a)
y = 0.4972e
-0.0009x
R
2
= 0.8768
y = 0.9899e
-0.0009x
R
2
= 0.9476
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza Grossa - Ensaio 24-A
Sem Membrana Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(b)
Figura 7.45
– Consumo no ensaio de difusão 24-A da Cinza Grossa, onde em (a)
realizado com membrana de sílica e em (b) sem membrana de sílica.
230
y = 0.4377e
4E-05x
R
2
= 0.0009
y = 0.8761e
-4E-05x
R
2
= 0.0005
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Jazida Empresa - Ensaio 11
Com Membrana de Sílica
Reservatório Fonte + Coleta
Reservatório Fonte
(a)
y = 0.4153e
-0.0038x
R
2
= 0.9336
y = 0.8295e
-0.0035x
R
2
= 0.9598
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Jazida Empresa - Ensaio 11
Sem Membrana de Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(b)
Figura 7.46 – Consumo no ensaio de difusão 11 da Jazida Empresa, onde em (a) realizado com
membrana de sílica e em (b) sem membrana de sílica.
231
y = 0.5229e
0.0004x
R
2
= 0.0381
y = 1.0456e
0.0015x
R
2
= 0.2702
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizado
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
Jazida Empresa - Ensaio 15
Com Membrana de Sílica
(a)
y = 0.4589e
-0.0032x
R
2
= 0.9784
y = 0.9155e
-0.0032x
R
2
= 0.9771
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Jazida Empresa - Ensaio 15
Sem Membrana de Sílica
Reservatório Fonte
Reservatório Fonte + Coleta
(b)
Figura 7.47 – Consumo no ensaio de difusão 15 da Jazida Empresa, onde em (a) realizado com
membrana de sílica e em (b) sem membrana de sílica.
Em virtude do observado com a Cinza Grossa e a Jazida Empresa, todos os ensaios com
a Jazida Picollo foram realizados com membrana de sílica. A Figura 7.48 (a) apresenta o
resultado do ensaio número 2 da Jazida Picollo com 0,88 de grau de saturação, enquanto
que o (b) mostra o ensaio 5 com 0,77 de grau de saturação. A Jazida Picollo, diferente
da Jazida Empresa, apresentava um marcante decréscimo na concentração do
reservatório.
232
y = 0.4589e
-0.0015x
R
2
= 0.9827
y = 0.9079e
-0.0015x
R
2
= 0.9529
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Reservatório Fonte + Coleta
Reservatório Fonte
Jazida Picollo - Ensaio 2
Com Membrana de Sílica
(a)
y = 0.4624e
-0.0032x
R
2
= 0.9834
y = 0.9226e
-0.0031x
R
2
= 0.9809
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Reservatório Fonte + Coleta
Reservatório Fonte
Jazida Picollo - Ensaio 4
Com Membrana de Sílica
(b)
Figura 7.48
– Consumo no ensaio de difusão da Jazida Picollo, onde em (a) ensaio 2 e
em (b) ensaio 5 utilizando a membrana de sílica.
7.4.2. Taxa máxima de consumo
Foi idealizado um ensaio denominado taxa máxima de consumo. Neste ensaio supõe-se
que a interação solo-gás é a máxima possível, e que os valores obtidos corresponderiam
ao consumo máximo por parte do material. Nos ensaios foi utilizada a membrana de
sílica no sensor de forma a minimizar a influência da umidade.
Para a execução do ensaio, uma fina camada de solo fofo, de aproximadamente 40 g de
peso seco, foi espalhada sobre o fundo da célula (montada somente com o reservatório
de coleta), e deixada em contato com o ar contido na célula (7,8 cm de altura). Os
resultados obtidos para a Cinza Grossa, Jazida Empresa e Jazida Picollo são
apresentados respectivamente na Figura 7.49. Cada gráfico apresenta duas linhas: uma
representa o solo normal (rosa) e a outra, o solo esterilizado (azul) com formaldeído 3%.
233
Os ensaios com o solo normal e esterilizado foram realizados simultaneamente e estão
sujeitos à mesma condição ambiental.
y = 9.98E-01e
-3.86E-04x
R
2
= 9.55E-01
y = 1.00E+00e
-1.51E-04x
R
2
= 7.48E-01
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Cinza Grossa - Teste 2
Esterilizado
Normal
(a)
y = 1.00E+00e
4.45E-05x
R
2
= 3.54E-02
y = 1.00E+00e
-1.70E-04x
R
2
= 4.42E-01
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Esterilizado
Normal
Jazida Empresa
(b)
y = 1.00E+00e
-3.97E-04x
R
2
= 9.24E-01
y = 1.00E+00e
-8.80E-05x
R
2
= 5.28E-01
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Jazida Picollo
Normal
Esterilizado
(c)
Figura 7.49 – Taxa máxima de consumo (a) Cinza Grossa, (b) Jazida Picollo e (c) Jazida
Empresa.
234
O solo foi disposto da forma mais fofa possível, tentando evitar sobreposições buscando
a obtenção da maior porosidade possível. O problema observado foi que, mesmo sendo
reduzida a altura do reservatório, este manteve uma relação maior de altura do
reservatório por altura de solo do que a utilizada no ensaio de difusão. Isto dificultou a
análise, já que a inclinação da curva de consumo se torna suave quando existe excesso
de massa de gás com relação à massa de solo. Isso faz com que o ensaio se torne mais
longo e mais influenciado pela oscilação térmica e umidade.
O ensaio com a Jazida Empresa deveria se prolongar por mais tempo, para uma análise
mais conclusiva. Mas olhando as inclinações das curvas obtidas, nota-se queem ordem
decrescente de consumo têm-se: a Jazida Picollo seguida pela Cinza Grossa e por último
pela Jazida Empresa. Este resultado corrobora o que foi obtido pela contagem
microbiológica.
Na Tabela 7.22 pode-se observar a taxa de consumo e o tempo de meia vida, obtidos a
partir das equações 7.1, 7.2 e 7.3 e da inclinação do ajuste exponencial da curva
concentração normalizada
versus
tempo..
Tabela 7.22 – Taxa de consumo (K) e tempo de meia vida (t
1/2
) obtido no ensaio de taxa
máxima de consumo para a Cinza Grossa, Jazida Empresa e Jazida Picollo.
Amostra s K (h
-1
) t
1/2
(h)
Cinza Grossa – Formaldeído 0,000151
-0,00264
-262,728
Cinza Grossa – Normal 0,000386
-0,00674
-102,777
Jazida Empresa – Formaldeído 0,000045
0,000778
891,503
Jazida Empresa – Natural 0,000170
-0,00297
-233,364
Jazida Picollo – Formaldeído 0,000088
-0,00154
-450,817
Jazida Picollo - Normal 0,000397
-0,00694
-99,9292
A taxa de consumo efetiva (K*) e o tempo de meia vida efetivo (t
1/2
*) não podem ser
determinados, pois não se sabe com precisão a porosidade do material.
7.4.3. Comparação solo normal e esterilizado
As curvas que representam a soma da concentração dos reservatórios fonte e coleta
versus
o tempo nos ensaios de difusão normal e esterelizado são apresentadas na Figura
7.50 (a) para a Cinza Grossa, (b) para a Jazida Empresa e (c) para a Jazida Picollo. As
curvas mostram o decréscimo da concentração e uma tendência de estabilização. Esta
tendência de estabilização coincide com o término do ensaio de difusão. No caso dos
ensaios esterilizados, existe uma tendência da manutenção desta concentração com o
tempo. Qualquer alteração positiva do valor obtido no término do ensaio de difusão
pode significar vazamento ou diminuição da temperatura ambiente, ao passo que a
alteração negativa indicaria aumento de temperatura ou consumo (por parte do solo ou
do sensor).
235
y = 19.961e
0.0023x
R
2
= 0.8115
y = 19.071e
-0.0003x
R
2
= 0.1675
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
26.0
28.0
30.0
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio (%)
Cinza Grossa
30-EST-N
Cinza Grossa
29-EST-F
(a)
y = 18.539e
0.0002x
R
2
= 0.0279
y = 18.758e
-0.0015x
R
2
= 0.5186
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio (%)
Jazida Empresa
2-EST-N
Jazida Empresa
1-EST-F
(b)
y = 18.807e
0.0056x
R
2
= 0.966
y = 19.792e
-0.0042x
R
2
= 0.9653
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
Concentração Oxigênio (%)
Jazida Picollo
15-EST-F
Jazida Picollo
16-EST-N
(c)
Figura 7.50 - Variação da soma das concentrações do reservatório fonte e coleta para a Cinza
Grossa (a), Jazida Empresa (b) e Jazida Picollo (c), onde N – condição normal e F – condição
esterilizada com formaldeído.
236
Todos os ensaios apresentaram uma variação positiva na amostra esterilizada, à medida
que nas amostras normais esta variação é negativa, indicando a existência de consumo.
Observando a variação da concentração no reservatório para a Jazida Empresa, na
condição esterilizada e normal ocorre um pequeno decréscimo da concentração, e esta
queda ocorre e estabiliza com aproximadamente sete horas de ensaio o que corresponde
também ao término do ensaio com concentração variável. Já no resultado da modelagem
do ensaio da difusão, considerando ou não o consumo por parte dos microorganismos, a
curva pouco varia. A contagem microbiológica antes e depois do ensaio indica que esse
solo está estéril, confirmando o comportamento obtido, e indicando que este valor não
pode ser computado como taxa de consumo microbiológico.
Ao observar o ensaio com a Jazida Picollo nota-se um decréscimo considerável no
balanço de massa quando comparado com o ensaio esterilizado. A modelagem indica a
necessidade de computar este elemento de forma que ocorra um melhor ajuste dos
pontos experimentais.
A modelagem com a Cinza Grossa não apresentou bom ajuste, não diferindo muito
quando se considera ou não o decréscimo da massa nos reservatórios. Mesmo tendo a
mesma contagem microbiológica da Jazida Picollo, a Cinza Grossa não apresenta o
mesmo decréscimo da concentração provavelmente porque a biota é diferente.
A amostra que apresentou maior consumo foi a Jazida Picollo, conforme obtido
numericamente e visualmente. A Cinza Grossa apresenta um consumo discreto. A
Jazida Empresa neste ensaio apresenta um consumo maior do que o da Cinza Grossa,
mas para uma análise mais conclusiva este ensaio deveria ter prosseguido mais.
7.4.4. Consumo no rejeito
Foi determinada a taxa de consumo no rejeito a partir das seguintes condições: a)
estimativa da taxa do consumo; b) consumo determinado a partir do balanço de massa
durante o ensaio de difusão; e c) ensaio de consumo com o rejeito.
a) Estimativa da taxa de consumo
Para a estimativa da taxa de consumo para rejeitos piritosos, COLLIN (1987)
apud
MBONINPA
et al.
(2003) propõem um modelo simplificado baseado na cinética de
reação, onde a taxa varia lineamente com proporção do mineral sulfetado. Para isto,
utilizou-se as Equações 6.31 e 6.32. A Equação 6.31 considera a superfície de contato, e
sugere a sua determinação a partir do coeficiente de uniformidade (CU) e do diâmetro
efetivo correspondente a 10% dos grãos passantes (D
10
) a partir da curva granulométrica
do Rejeito Fino Peneirado. Foram obtidos um CU de 4 e D
10
de 0,05 mm ou 5 x 10
-5
m,
que fornecem uma superfície de contato DH de 8,5 x 10
-5
m (Equação 6.31).
Para a estimativa da taxa de consumo explicitada na Equação 6.32, utilizou-se a
porosidade obtida a partir do ensaio de difusão realizado, 0,388. Sabendo que a
reatividade da pirita com oxigênio é de 5x10
-10
m
3
O
2
. m
-2
pirita .s
-1
e o conteúdo de
pirita nesse material é de 2,2% ou 0,22 Kg/Kg, obteve-se a taxa de consumo (
λ
)
237
estimada de 4,75x10
-6
s
-1
ou 1,71 x10
-2
h
-1
. Aplicando a Equação 6.33 encontra-se a taxa
de consumo equivalente (
λ
*
), que o programa POLLUTE utiliza, de 2,12 x10
-5
s
-1
ou
7,63 x10
-2
h
-1
. Destaca-se aqui que quanto menor o valor da taxa de consumo maior é o
tempo de meia vida (t
1/2
) correspondente, sendo estimados os valores de t
1/2
de 40,5
horas e t
1/2
*
de 9,1 horas a partir da Equação 6.33.
MBONINPA
et al
. (2003) definem que materiais com taxa de reação (
λ )
de 200 anos
(6,34x10
-6
s
-1
ou 2,28x10
-4
h
-1
) são extremamente reativos e com 3 anos (9,51x10
-8
s
-1
ou 3,42x10
-4
h
-1
) são pouco reativos. O valor estimado para o Rejeito Fino Peneirado
pode ser considerado então como extremamente reativo quando comparado com os
valores apresentados.
b) Consumo determinado a partir do balanço de massa a partir do ensaio de
difusão
A Figura 7.51 apresenta o resultado do consumo determinado a partir do ensaio de
difusão para o Rejeito Fino Peneirado utilizando a membrana de sílica no sensor para
retirar o fator da umidade no sensor. Observando o ensaio a partir do seu trecho final na
soma dos reservatórios, aplica-se o ajuste exponencial com auxílio do Excel e
determina-se a inclinação (s) deste ajuste. A inclinação da curva e as taxas de consumo
são apresentadas na Tabela 7.23 que foram obtidos a partir das equações 7.1, 7.2, 7.3 e
7.4. Ao simular estes dois tempos de meia vida total (t*
1/2
) com o coeficiente de difusão
D
*
de 80 m
2
/ano ou 9.13x10
-2
m
2
/h, obtém-se o resultado apresentado na Figura 7.51.
Observa-se que a diferença entre as modelagens para os dois tempos de meia vida
utilizados é pequena, mas o t*
1/2
= 9,2 h é o que apresenta o melhor resultado. E esse
valor obtido está bem próximo do determinado pela análise pelo modelo simplificado
pela cinética de reação da pirita (t*
1/2
= 9,1h).
y = 0.5815e
-0.0072x
R
2
= 1
y = 0.5816e
-0.0064x
R
2
= 1
y = 1.1595e
-0.0071x
R
2
= 0.9881
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Sem consumo
Com consumo - 10.3 h
Com consumo - 9.3 h
Expon. (10.3)
Expon. (9.2)
Expon. (Medido)
REJEITO - Teste 1
Figura 7.51 – Ensaio de difusão no rejeito considerando o fator de correção 1 (relação da altura
dos reservatórios com a altura do solo) e o fator de correção 2 (grau de saturação) para o Rejeito
Fino Peneirado.
238
Tabela 7.23 – Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a partir do ensaio
de difusão no Rejeito Fino Peneirado.
Condição Local
θ
θθ
θ
eq
S (h
-1
) K (h
-1
)
t
1/2
(h)
K* (h
-1
)
t*
1/2
(h)
F
K1
0.224
0,0071
0,0151
46,0
0,0673
10,3
F
K1
+F
K2
Fonte+Coleta
0,224
0,0071
0,0169
41,1
0,0754
9,2
c) Ensaio de consumo no rejeito
Terminado o ensaio de difusão com concentração constante na fonte, a célula foi
fechada, sendo observado o decréscimo da concentração com o tempo por 80 horas, no
reservatório fonte e coleta. O que se nota é que a concentração levou aproximadamente
8 horas para iniciar a sua variação, em função do volume da célula e da posição do
sensor no meio do reservatório. Mas isto não significa que o consumo não estivesse
ocorrendo, mas somente que o sensor não estava detectando. Porém começa a detectar,
este varia na mesma taxa que o sistema. Mas, para observar a variabilidade deste
parâmetro, determinou-se a inclinação da variação da concentração correspondente ao
consumo, no reservatório fonte e coleta, considerando o período de observação e
conforme apresentado na Figura 7.52. Na Tabela 7.24 pode-se observar os valores das
inclinações obtidas e as taxas de consumo e tempos de meia vida total correspondentes.
y = 1.0524e
-0.0087x
R
2
= 0.9969
y = 1.0507e
-0.0081x
R
2
= 0.9946
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Fonte
Coleta
Expon. (Fonte)
Expon. (Coleta)
Figura 7.52 – Consumo na célula de difusão depois de cessado o ensaio de concentração
constante na fonte no Rejeito Fino Peneirado, destacando a leitura dos sensores do reservatório
fonte e coleta com o tempo.
Tabela 7.24 – Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado após cessado o
ensaio com concentração constante na fonte.
Condição Local
θ
θθ
θ
eq
S (h
-1
) K (h
-1
) t
1/2
(h) K* (h
-1
) t*
1/2
(h)
fonte 0,224
0,0087
0,0207
33,5
0,0923
7,5069
Total
coleta 0,224
0,0081
0,0193
36,0
0,0860
8,0629
Os valores de consumo aqui determinados foram superiores ao observado quando
cessado o ensaio de difusão, isto ocorre provavelmente, graças ao restabelecimento da
atividade microbiológica com o tempo em função do umedecimento da amostra, e que
239
com o tempo faz com que a atividade microbiológica se eleve, ou esta diferença
representa a própria dispersão entre os ensaios.
A Figura 7.53 apresenta a taxa máxima de consumo determinada para o Rejeito Fino
Peneirado. Conforme apresentado anteriormente para os solos, ocorreu uma demora na
observação do decréscimo da concentração no reservatório porque a massa de rejeito
disponível para que a reação ocorra em relação a massa de gás presente no reservatório
fonte. Devido à dificuldade de avaliar o volume ocupado pelo resíduo e a sua
porosidade estimou-se somente a taxa de consumo e tempo de meia vida total para o
reservatório fonte e coleta. Sendo obtido K de 0,0160 h
-1
e t
1/2
de 43,4 horas quando
aplicado os fatores de correção referente à relação da altura dos reservatórios e o solo e
referente ao grau de saturação. Estes valores estão próximos dos valores obtidos a partir
do ensaio de difusão.
y = 1.03E+00e
-9.14E-04x
R
2
= 9.72E-01
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Tempo (h)
Concentração Oxigênio Normalizada
Normal
Expon. (Normal)
Figura 7.53 – Ensaio de taxa máxima de consumo para o Rejeito Fino Peneirado.
7.5. Considerações finais
7.5.1. Difusão
Com relação aos ensaios preliminares destacam-se:
Que cuidados com relação ao vazamento devem ser tomados, principalmente, na
conexão do sensor de oxigênio com a célula;
A agitação, do reservatório fonte e coleta, foi descartada porque, conforme o
esquema experimental proposto por SHELP
et al.
(2000), não se conseguiu a
agitação no reservatório fonte gerando fluxo advectivo. Como o coeficiente de
difusão do gás no ar é rápido e a altura dos reservatórios está dentro da faixa de
valores citada na literatura, optou-se por não utilizar agitação nos reservatórios;
Umidades elevadas acarretam medidas de concentrações menores em função do
volume do ar que passa a ser ocupado pela água. Ou seja, a massa se mantém,
mas com relação ao volume total, a concentração tende a diminuir,
principalmente em umidades relativas acima de 70%;
240
Os valores observados de decréscimo da concentração em função do acréscimo
de umidade a temperatura constante está dentro do estimado com exceção para o
sensor 2 que apresentou um desvio maior. Esta variação ocorre imediatamente
após o contato do sensor com a umidade, mas persiste ainda um decréscimo da
concentração com o tempo com uma taxa mais lenta, que pode ser atribuída à
umedificação do sensor;
Para reduzir a influência da umidade sobre o sensor optou-se por utilizar uma
membrana de sílica. Para tanto, avaliou-se o tempo para a sua saturação. Foi
constatada que a membrana de sílica utilizada saturava com sete dias e que
ocorria uma redução na sua absorção após o quarto dia. Foi decidido que o
ensaio de difusão com membrana de sílica duraria no máximo quatro dias;
Foi observado o funcionamento dos sensores expostos à umidade com e sem
membrana de sílica. Como resultado destaca-se que os sensores com membrana
de sílica se mantêm estáveis até o quarto dia de contato com a umidade,
mostrando uma leve queda na leitura do sensor a partir de então, provavelmente
em função da absorção de umidade pelo sensor. Isso confirma o que foi previsto
no ensaio anterior. Os sensores sem membrana de sílica apresentam uma queda
na concentração do oxigênio imediatamente após o seu contato com a umidade.
Outro fator observado, é que com o acréscimo da temperatura, ocorre um
decréscimo na concentração de oxigênio nos sensores com e sem membrana,
como era de se esperar;
Na condição em que o recipiente com água é trocado pelo solo, observa-se que o
decréscimo na leitura do sensor é mais acentuado quando comparado com a
presença somente de água, o que indica a atividade microbiológica;
Para entender melhor o funcionamento do programa POLLUTE, com relação ao
módulo referente à taxa de consumo e o coeficiente de difusão, realizou-se uma
análise paramétrica. Com relação ao módulo da atividade microbiológica e a
equação proposta por ELBERLING
et al.
(1994), observou-se que não houve
correlação. Contudo, a inclinação da curva resultante no gráfico Ln C
versus
o
tempo não pode ser descartada como resultante da atividade microbiológica,
notou-se que a inclinação dessa curva varia com a relação da altura dos
reservatórios e solo e com o grau de saturação. Em função do exposto na
literatura e observado na modelagem, foram propostos dois fatores de correção.
Um denominado F
K1
, que considera a razão das alturas do reservatório e do solo
ensaiado, e outro denominado F
K2
que varia de acordo com o grau de saturação,
sendo igual a 1,05 para solos com saturação acima de 70% e 1,12 para
saturações inferiores a 70%.
Com relação ao ensaio de difusão destaca-se que quando se considera a concentração do
perfil do solo no ensaio de concentração variável, a forma da curva de difusão se
mantém, variando a sua posição, ou seja, superestimando ou subestimando a
concentração de equilíbrio. Já os fatores referentes ao consumo (decaimento da
concentração), o coeficiente de difusão e poros preenchidos por ar se refletem na forma
onde o primeiro fator afeta mais o trecho final da curva enquanto que os últimos têm a
sua influência sobre o trecho inicial. O consumo torna-se relevante na modelagem,
somente quando este passa a ter ordem de grandeza semelhante ao do coeficiente de
difusão.
Existe uma boa repetibilidade do coeficiente de difusão obtido com o mesmo corpo de
prova em dois ensaios seguidos, indicando que o material avaliado não seca, de forma
241
significativa com a purga, ao ponto de alterar o coeficiente de difusão. Já no ensaio feito
em triplicata, observa-se a dificuldade de se obter corpos de prova idênticos, ou seja, o
coeficiente de difusão total encontrado é diferente, e se o grau de saturação fosse o
mesmo, o coeficiente de difusão efetivo deveria ser o mesmo.
O coeficiente de difusão total obtido para a Jazida Empresa e Picollo são iguais na
condição normal e esterilizada. Mas o coeficiente de difusão total deveria ser diferente e
o efetivo igual. Contudo a diferença observada é tão pequena que fica a cargo da pessoa
que interpreta o ensaio com o programa POLLUTE a escolha do melhor ajuste por se
tratar de uma análise visual. Já para a Cinza Grossa, o coeficiente de difusão total (D
*
) é
diferente e esta diferença pouco foi modificada quando comparada com o valor do
coeficiente de difusão efetivo (D) na condição normal e esterilizada. Isto ocorre em
virtude da condição de moldagem dos corpos de prova que não foram semelhantes.
Os ensaios realizados apresentaram as seguintes características de porosidade e massa
específica aparente seca média para os materiais analisados: Jazida Empresa n = 0,334 e
ρ
s
= 1,773 g/cm
3
; Jazida Picollo n = 0,454 e
ρ
s
= 1,408 g/cm
3
; e Cinza Grossa n = 0,521
e e
ρ
s
= 0,979 g/cm
3
. No Rejeito Fino Peneirado foi realizado somente um ensaio que
apresentou n= 0,338 e
ρ
s
= 1,393 g/cm
3
. Comparando o coeficiente de difusão obtidos
para os diferentes materiais com relação à massa específica, porosidade, teor de
umidade (volumétrico e gravimétrico), conteúdo de ar e saturação destaca-se que:
conforme a massa específica e a umidade de moldagem aumentam, diminui a
porosidade e o tamanho dos poros. Esse comportamento se modifica para
umidades acima da ótima;
para a mesma porosidade e massa específica aparente seca o material pode
apresentar coeficientes de difusão que variam de 10
-5
a 10
-11
m
2
/s;
conforme aumenta o teor de umidade gravimétrico ou volumétrico diminui o
coeficiente de difusão, onde as curvas obtidas para os diferentes materiais estão
distantes entre si;
mas, ao comparar o coeficiente de difusão em função do conteúdo de ar,
observa-se que este diminui conforme diminui o conteúdo de ar como era de se
esperar, mas este resultado depende da porosidade do material, tal como
observado para o coeficiente de difusão
versus
grau de saturação. Mas, ocorre
um menor deslocamento entre as curvas com diferentes porosidades;
de forma geral, os solos com grau de saturação até 85% apresentam uma
variação do coeficiente de difusão de 10
-5
a 10
-7
m
2
/s, e para valores superiores
de saturação o coeficiente de difusão diminui para valores inferiores ao
coeficiente de difusão do oxigênio na água.
Na análise do ensaio de difusão com sucção controlada, plotou-se um gráfico que
correlaciona a saturação com o coeficiente de difusão e a sucção, onde foi observada
uma correlação entre a sucção e a difusão em função do grau de saturação.
Os ajustes de difusividade estudados nos diferentes materiais indicam que o ajuste
potência e exponencial apresentam melhor correlação.
Com relação ao uso dos modelos propostos na literatura destaca-se:
PENMAN (1940b), MILLINGTON & QUIRK (1960) e MILLINGTON &
QUIRK (1961) são modelos de fácil aplicação e descrevem a variação do
coeficiente de difusão em função da porosidade, e no caso de MILLINGTON &
242
QUIRK, estes consideram também o conteúdo de ar. Podem ser calculados a
partir de uma planilha eletrônica no Windows Excel ou manualmente e não
consideram a parcela de fluxo nos poros saturados com água;
COLLIN & RASMUSON (1988) apresentam constantes que devem ser
calculadas individualmente para cada ponto do ensaio estudado com auxílio de
calculadora, para posterior uso de uma planilha eletrônica, sendo um modelo
trabalhoso de se calcular. Este modelo descreve o fluxo como função do grau de
saturação e da porosidade, e insere uma parcela que considera o fluxo pelos
poros preenchidos por água;
NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) utilizam em suas equações
constantes que são obtidos a partir da regressão não linear dos dados
experimentais. Diante do exposto, somente é possível determinar de forma mais
simplificada a partir do uso de programa estatístico que tenha essa função. Para
tanto, foi utilizado o programa Statigraphics Centrurion XV versão 15.1.02.
Estes modelos consideram que uma parcela do fluxo ocorre pelos poros
preenchidos por água e escreve a equação baseada na variação do grau de
saturação. Os parâmetros de ajuste incluem o fluxo pelos poros preenchidos por
ar e a dependência da porosidade. Na Tabela 7.25 pode-se observar as constantes
α
e
β
obtidas por regressão não linear de acordo com a equação proposta por
NICHOLSON (1991) e
τ
e
α
para ELBERLING
et al.
(1994) e a média e o
desvio padrão correspondente a partir da reunião dos resultados.
Tabela 7.25 - Constantes propostas por NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) e as
obtidas segunda a regressão não linear dos diversos ensaios.
NICHOLSON (1991) ELBERLING
et al.
(1994) Constantes
α
αα
α
β
ββ
β
α
αα
α
τ
ττ
τ
Autor
3,2800
0,2730
3,2600
0,2730
Jazida Empresa 1,2917
0,0910
1,4221
0,0891
Jazida Picollo 1,7368
0,1294
1,7413
0,1300
Cinza Grossa Total 1,5017
0,1329
1,4996
0,1328
Cinza Grossa n=0,4
2,7149
0,2105
2,6742
0,2080
Cinza Grossa n=0,5 1,4328
0,1230
1,4303
0,1295
Todos os ensaios 1,5290
0,1256
1,5300
0,1257
Média
1,4984
0,1204
1,5247
0,1214
desvio padrão
0,1619
0,0168
0,1294
0,0182
Para o cálculo da média e do desvio padrão excluiram-se os valores obtidos para a
Cinza Grossa com n = 0,4. Observa-se que as cinzas estão dentro da média e do desvio
padrão das constantes para os dois ajustes, ficando a Jazida Empresa próxima e a Jazida
Picollo mais distantes principalmente quando se observa o parâmetro
α
. Todos os
valores obtidos diferem significativamente do proposto pelos autores.
Conclui-se que os valores de
α
e
β
obtidos por regressão não linear de acordo com a
equação proposta por NICHOLSON (1991) e
τ
e
α
para ELBERLING
et al.
(1994)
estão próximos entre os materiais estudados. E que estes pares de parâmetros de ajuste
para as duas equações citadas possuem valores semelhantes para os materiais estudados,
tal como os valores relatados pelos autores. Nos solos, conforme aumenta a porosidade
total, aumenta o valor dos parâmetros
α
e
β
e
τ
e
α.
Mas se esta tendência não foi válida
para a Cinza Grossa que deveria ter os parâmetros
α
e
β
e
τ
e
α
mais elevados do que a
243
Jazida Picollo devido à sua porosidade mais elevada.
Isso indica uma possível tendência
do coeficiente de difusão sofrer uma influência da textura além da porosidade.
Com relação aos resultados obtidos a partir dos modelos da literatura utilizados para a
previsão do cálculo do coeficiente de difusão, destaca-se:
O modelo de PENMAN (1940b) substimou o coeficiente de difusão efetivo em
todas as análises apresentadas anteriormente;
A Jazida Empresa apresenta valores mais elevados de coeficiente de difusão do
que a Jazida Picollo, com bom ajuste para NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) no trecho inicial da curva e MILLINGTON & QUIRK (1960) no
final, ao passo que COLLIN & RASMUSON (1988) e MILLINGTON &
QUIRK (1961) substimam os valores do coeficiente de difusão para altas
saturações;
Para a Jazida Picollo, os modelos COLLIN & RASMUSON (1988) e
MILLINGTON & QUIRK (1961) modelam bem o trecho final da curva e
superestimam o inicial cujo resultado melhor é o obtido a partir da regressão não
linear pelos modelos de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994);
A cinza na porosidade de 0,4 somente não apresenta bom ajuste para PENMAN
(1940b) e MILLINGTON & QUIRK (1960). Mas nos valores obtidos para
elevado grau de saturação nenhum dos modelos que apresentaram melhor ajuste
no trecho inicial foi bom para o trecho final;
A cinza com porosidade de 0,5 tem comportamento semelhante ao da cinza total
com bom ajuste segundo NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) no
trecho inicial e entre MILLINGTON & QUIRK (1960) e COLLIN &
RASMUSON (1988) e MILLINGTON & QUIRK (1961) no trecho final;
Comportamento semelhante ao da cinza total é observado no ensaio que reúne
todos os solos.
O Rejeito Fino Peneirado apresenta um coeficiente de difusão efetivo
compatível com os valores obtidos para a Cinza Grossa, Jazida Empresa e Jazida
Picollo no grau de saturação ensaiada. Com relação aos modelos, os que melhor
previram foram os de ELBERLING
et al.
(1994) e NICHOSLON (1991),
utilizando o parâmetro do autor e MILLINGTON & QUIRK (1961)
considerando a porosidade do material.
É importante destacar que a porosidade da Jazida Empresa está entre 0,3 e 0,4, da Jazida
Picollo entre 0,4 e 0,5 e Cinza Grossa entre 0,4 e 0,6. Isso explicaria o comportamento
distinto da Jazida Empresa quando comparado a Cinza Grossa e Jazida Picollo que tem
comportamento semelhante. Contudo, pontos em comum podem ser destacados, que
são:
Porosidade próxima a 0,4 indica boa correlação para o ajuste de NICHOLSON
(1991) e ELBERLING
et al.
(1994) no trecho para saturações inferiores a 0,8 e
MILLINGTON & QUIRK (1960) para saturações entre 0,8 e 0,9 como pode ser
observada para a Jazida Empresa e Cinza Grossa (n=0,4);
Porosidades próximas a 0,5 demonstram comportamento distinto, onde para
saturações até 0,8 os modelos que apresentam bom ajuste são os de
NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) ao passo que os demais
superestimam o valor do coeficiente de difusão efetivo medido neste trecho. Mas
para saturações acima de 0,8 os modelos que melhor ajustam são os de COLLIN
& RASMUSON (1988) e MILLINGTON & QUIRK (1961) para saturações
acima de 0,9 e no trecho compreendido entre 0,8 e 0,9 ocorre a transição entre
244
estes modelos ajustando bem atém com o de MILLINGTON & QUIRK (1960).
No trecho entre 0,8 e 1% os modelos de PENMAN (1940b), MILLINGTON &
QUIRK (1960), NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994)
superestimam o coeficiente de difusão.
O fluxo de gases em solos é particularmente importante em sistemas de cobertura de
rejeitos e em sistemas de remediação de solos contaminados por compostos voláteis.
Normalmente no Brasil a permeabilidade dos solos ao ar foi estudada para descrever o
fluxo advectivo pela cobertura. No entanto, no campo, o mecanismo dominante do fluxo
do gás pela cobertura é a difusão segundo XU
et al.
(1992), RENAULT & SIERRA
(1994), STEELE & NIEBER (1994), RITCHIE (1995), KUO & RITCHIE (1999) e
WEERTS
et al.
(2000).
MACIEL (2003) determinou o fluxo em sistema de cobertura com auxílio de placa de
fluxo, onde o fluxo medido campo é proporcional ao volume da placa, a densidade do
gás e a variação da concentração do gás com o tempo e é inversamente proporcional à
área da placa. Mudanças na densidade do gás em função da variação da temperatura
geram fluxo advectivo, contudo O’KANE
et al.
(2002) mostram por modelagem
numérica que o fluxo difusivo predomina sobre a convecção térmica. ROWE (1987)
afirma que em solos finos a difusão efetiva predomina para uma ampla faixa de
velocidade de fluxo, sendo este o caso das coberturas.
O fluxo de massa obtido por MACIEL (2003) para o material de cobertura do aterro de
Muribeca variou de 1,2 à 4,2 x10
-3
g/sm
2
para o metano (saturação de 45 a 71%) e 2,9
x10
-3
para o gás carbônico (S=61%). O referido autor afirma que esse fluxo de massa
obtido para o tempo de 30 a 35 minutos está de acordo com o relatado por TANAKA
et
al.
(1997) e BOGNER
et al.
(1997) para o metano.
O esquema experimental montado por MACIEL (2003) no campo assemelha-se com
relação ao comportamento do ensaio com reservatório duplo com concentração
constante na fonte e zero fluxo no reservatório de coleta. Tal como MACIEL (2003),
pode-se afirmar que o fluxo é máximo no intervalo inicial do ensaio de difusão, seguido
de decréscimo até valores nulos.
A partir dos dados obtidos no ensaio de difusão para o solo Jazida Empresa,
determinou-se o fluxo de massa para este material em diferentes graus de saturação, tal
como determinado por MACIEL (2003) no campo. Para os graus de saturação de 46%,
61% e 70%, foram obtidos respectivamente os seguintes valores de fluxo de massa do
oxigênio 8,3 x 10
-3
g/sm
2
, 2,6 x 10
-3
g/sm
2
e 1,8 x 10
-3
g/sm
2
. Esses valores são
compatíveis com os valores obtidos por MACIEL (2003) com a placa de fluxo para o
metano e dióxido de carbono, na faixa de saturação estudada. Contudo, considerando o
coeficiente de difusão para grau de saturação de 88% e 93% determinados para a Jazida
Empresa obtém-se respectivamente os fluxos de massa da ordem de 2,9 x 10
-4
g/sm
2
e
2,2 x 10
-5
g/sm
2
considerando o gradiente máximo (21% no topo e 0% na base como
condição de contorno inicial e o tempo de 30 minutos).
Conforme discutido, o fluxo pela cobertura é predominantemente difusivo. Dessa
forma, deve-se considerar a curva coeficiente de difusão
versus
grau de saturação para
descrever este fluxo.
245
7.5.2. Consumo
No estudo de consumo depois de cessado o ensaio de difusão, a observação da
concentração deveria persistir depois de terminada a difusão, pelo menos, na proporção
do tempo necessário para o ensaio de difusão. Isso permitiria uma melhor definição da
taxa de consumo. Quando o ensaio foi realizado com solos mais saturados, foi difícil
essa análise, já que os ensaios foram terminados antes de cessada a difusão com no
máximo 4 dias. O consumo nesses ensaios foi determinado a partir do ajuste no
programa POLLUTE considerando o valor de consumo obtido nos demais ensaios.
O uso da sílica no sensor mostrou-se importante porque a leitura do sensor decai com a
umidade. Caso esta não seja utilizada por causa da limitação de 4 dias de ensaio, sugere-
se a criação de um fator de correção que considere este parâmetro.
Com relação ao ensaio da taxa máxima de consumo, não se pode deixar de concluir que
o volume de ar com relação ao solo/rejeito deve ser menor. Isso implicaria em uma
resposta mais rápida do sensor, diminuindo o tempo de ensaio, e aumentaria a
inclinação da curva inibindo outros fatores condicionantes de alteração da concentração.
Isso também reduziria o período em que o sensor não varia, mesmo que o consumo
esteja ocorrendo, em função do
time lag
.
A comparação entre o ensaio de difusão normal e esterilizado foi bem reveladora. O
comportamento difusivo praticamente não foi afetado, mas o consumo ficou marcado
quando se compara a soma dos reservatórios fonte e coleta nos dois ensaios.
O volume do reservatório fonte e coleta com relação à espessura do solo também, é
muito importante. Porque quanto menor a altura dos reservatórios menor é a massa
disponível, tornando marcante a inclinação da curva de consumo, e permitindo avaliar
taxas baixas de consumo. Se o reservatório for grande somente taxas mais elevadas
podem ser detectadas.
Nota-se que até o ensaio 22 da cinza não se utilizou a sílica, e que o valor encontrado
corresponde à parcela de consumo acrescida da taxa de redução da concentração em
função da umidade sobre o sensor. Conforme apresentado anteriormente, a cinza não
apresentou consumo quando foi utilizada a membrana de sílica, ou o seu consumo era
tão baixo que não foi detectado no tempo analisado. Os valores apresentado na Tabela
7.26 são os correspondentes aos ensaios sem membrana que podem ser utilizados no
melhor ajuste do resultado para a determinação do coeficiente de difusão, ou serem
entendidos como limite superior da taxa de consumo. Estes valores também podem ser
utilizados caso seja criado um fator de correção com relação à taxa de decréscimo da
concentração em função da umidade no sensor.
A Tabela 7.27 contém o resultado para a Jazida Empresa também sem a membrana de
sílica. Já os resultados da Jazida Picollo apresentados na Tabela 7.28 consideram o uso
da membrana, porque todos os ensaios foram realizados com ela.
246
Tabela 7.26 – Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a partir do ensaio
de difusão na Cinza Grossa.
Ensaio
S
(%)
θ
eq
s
(h
-1
)
K
(h
-1
)
t
1/2
(h)
K*
(h
-1
)
t*
1/2
(h)
1 87,17 0,076 0,0005 0,0011 630,1 0,0145 47,8
4 66,55 0,189 0,0048 0,0114 60,8 0,0603 11,5
5-A 60,91 0,224 0,0071 0,0169 41,0 0,0754 9,2
5-D 28,39 0,395 0,0158 0,0376 18,4 0,0952 7,3
5-E 18,01 0,45 0,0394 0,0937 7,4 0,2082 3,3
5-F 15,02 0,466 0,0383 0,0911 7,6 0,1955 3,5
7-T1 72,65 0,157 0,00130 0,0029 239,0 0,0185 37,5
8-T1 71,78 0,163 0,00140 0,0031 223,6 0,0190 36,5
9-T1 72,65 0,157 0,00160 0,0036 192,5 0,0229 30,3
10-T2 78,51 0,123 0,00030 0,0007 990,2 0,0057 121,6
11-T2 78,21 0,124 0,00150 0,0033 210,0 0,0266 26,1
12-T2 79,29 0,118 0,00170 0,0038 182,4 0,0322 21,5
13 53,37 0,293 0,00200 0,0048 144,4 0,0164 42,3
14 84,12 0,096 0,00200 0,0045 154,0 0,0469 14,8
15 66,71 0,18 0,00200 0,0048 144,4 0,0267 26,0
16 42,83 0,347 0,00380 0,0090 77,0 0,0259 26,8
17 69,82 0,165 0,00180 0,0043 161,2 0,0261 26,6
18 58,46 0,268 0,00290 0,0069 100,5 0,0257 27,0
19 83,07 0,105 0,00170 0,0038 182,4 0,0362 19,1
20 63,12 0,207 0,00170 0,0040 173,3 0,0193 35,9
21 84,15 0,099 0,00180 0,0040 173,3 0,0404 17,2
22 93,51 0,044 0,00070 0,0016 433,2 0,0364 19,0
23-A 80,71 0,118 0,00080 0,0018 385,1 0,0153 45,3
23-B 54,3 0,255 0,00200 0,0048 144,4 0,0188 36,9
23-C 41,01 0,324 0,00290 0,0069 100,5 0,0213 32,5
23-D 25,49 0,405 0,00430 0,0102 68,0 0,0252 27,5
23-E 14,25 0,463 0,00360 0,0086 80,6 0,0186 37,3
24-A 66,48 0,182 0,00090 0,0021 330,1 0,0115 60,3
24-B 43,78 0,293 0,00150 0,0036 192,5 0,0123 56,4
24-C 28,04 0,371 0,00220 0,0052 133,3 0,0140 49,5
24-D 11,51 0,452 0,00270 0,0064 108,3 0,0142 48,8
25-A 92,53 0,051 0,00050 0,0011 630,1 0,0216 32,1
25-C 66,76 0,17 0,00120 0,0029 239,0 0,0171 40,5
25-D 50,63 0,244 0,00210 0,0050 138,6 0,0205 33,8
25-E 40,96 0,288 0,00200 0,0048 144,4 0,0167 41,5
25-F 28,41 0,346 0,00290 0,0069 100,5 0,0199 34,8
25-G 20,7 0,382 0,00210 0,0050 138,6 0,0131 52,9
26-A 66,23 0,182 0,00070 0,0017 407,7 0,0093 74,5
26-B 76,75 0,131 0,00102 0,0023 301,4 0,0176 39,4
26-C 77,35 0,128 0,00114 0,0025 277,3 0,0195 35,5
27-A 87,24 0,083 0,00053 0,0012 577,6 0,0145 47,8
27-B 94,53 0,046 0,00051 0,0011 630,1 0,0239 29,0
28-A 75,12 0,143 0,00090 0,0020 346,6 0,0140 49,5
28-B 64,25 0,197 0,00090 0,0021 330,1 0,0107 64,8
28-C 49,01 0,274 0,00040 0,0010 693,1 0,0036 192,5
28-D 41,69 0,311 0,00030 0,0007 990,2 0,0023 301,4
28-E 31,62 0,361 0,00030 0,0007 990,2 0,0019 364,8
28-F 21 0,416 0,00180 0,0043 161,2 0,0103 67,3
28-G 12,22 0,459 0,00100 0,0024 288,8 0,0052 133,3
28-H 4,51 0,499 0,00170 0,0040 173,3 0,0080 86,6
29-EST-F 74,94 0,144 0 0 0 0 0
30-EST-N 72,92 0,155 0,00110 0,0025 277,3 0,0161 43,1
247
Tabela 7.27 – Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a partir do ensaio
de difusão na Jazida Empresa.
Ensaio S (%)
θ
eq
S (h
-1
) K (h
-1
) t
1/2
(h) K* (h
-1
) t*
1/2
(h)
1-EST-F 87,80 0,048 0 0 0 0 0,0
2-EST-N 86,30 0,054 0,001500 0,0033 210,0 0,0611 11,3
3 93,26 0,033 0,000684 0,0015 462,1 0,0455 15,2
4 99,43 0,013 0,000269 0,0006 1155,2 0,0462 15,0
5 80,51 0,083 0,002900 0,0065 106,6 0,0783 8,9
6 75,97 0,083 0,001100 0,0025 277,3 0,0301 23,0
7 56,91 0,169 0,000400 0,0010 693,1 0,0059 117,5
8 47,98 0,194 0,000400 0,0010 693,1 0,0052 133,3
9 89,04 0,046 0,001100 0,0025 277,3 0,0543 12,8
10 69,88 0,125 0,003200 0,0076 91,2 0,0608 11,4
11 79,88 0,080 0,001100 0,0025 277,3 0,0313 22,1
13 86,12 0,052 0,003500 0,0078 88,9 0,1500 4,6
14 92,29 0,032 0,000622 0,0014 495,1 0,0438 15,8
15 67,96 0,125 0,003200 0,0076 91,2 0,0608 11,4
16 75,00 0,094 0,004600 0,0103 67,3 0,1096 6,3
17 62,68 0,126 0,001100 0,0026 266,6 0,0206 33,6
18 49,45 0,195 0,000900 0,0021 330,1 0,0108 64,2
19 57,00 0,153 0,002900 0,0069 100,5 0,0451 15,4
20 45,61 0,220 0,004000 0,0095 73,0 0,0432 16,0
21-A 85,69 0,053 0,000200 0,0004 1732,9 0,0075 92,4
21-B 79,67 0,071 0,000200 0,0004 1732,9 0,0056 123,8
21-C 73,31 0,091 0,000200 0,0004 1732,9 0,0044 157,5
21-D 65,13 0,116 0,000200 0,0005 1386,3 0,0043 161,2
21-E 57,36 0,139 0,000200 0,0005 1386,3 0,0036 192,5
21-F 36,86 0,201 0,000100 0,0002 3465,7 0,0010 693,1
21-G 12,38 0,275 0,003700 0,0088 78,8 0,0320 21,7
21-H 10,86 0,280 0,004200 0,0100 69,3 0,0357 19,4
Tabela 7.28 – Taxa de consumo e tempo de meia vida total e efetivo estimado a partir do ensaio
de difusão na Jazida Picollo.
Ensaio S (%)
θ
eq
S (h
-1
) K (h
-1
) t
1/2
(h) K* (h
-1
) t*
1/2
(h)
1 93,06 0,045 0,001066 0,0024 288,8 0,0533 13,0
2 88,26 0,070 0,001500 0,0033 210,0 0,0471 14,7
3 94,25 0,040 0,000777 0,0017 407,7 0,0425 16,3
4 73,45 0,136 0,003200 0,0071 97,6 0,0522 13,3
5 90,08 0,060 0,001402 0,0031 223,6 0,0517 13,4
6 87,18 0,074 0,003700 0,0083 83,5 0,1122 6,2
7 96,19 0,031 0,000963 0,0021 330,1 0,0677 10,2
8 62,94 0,183 0,002000 0,0048 144,4 0,0262 26,5
9 78,29 0,111 0,002900 0,0065 106,6 0,0586 11,8
10 81,67 0,094 0,003600 0,0080 86,6 0,0851 8,1
11 74,95 0,129 0,003100 0,0069 100,5 0,0535 13,0
12 64,73 0,172 0,002900 0,0069 100,5 0,0401 17,3
13 67,95 0,153 0,002100 0,0050 138,6 0,0327 21,2
14 61,68 0,191 0,005565 0,0132 52,5 0,0691 10,0
15-EST-F 80,06 0,103 0,000000 0 0 0 0
16-EST-N 78,84 0,108 0,004200 0,0094 73,7 0,0870 8,0
17-A 75,30 0,121 0,001500 0,0033 210,0 0,0273 25,4
17-B 71,12 0,138 0,001500 0,0033 210,0 0,0239 29,0
17-C 59,41 0,190 0,001100 0,0026 266,6 0,0137 50,6
17-D 47,51 0,240 0,001100 0,0026 266,6 0,0108 64,2
17-E 37,12 0,285 0,001500 0,0036 192,5 0,0126 55,0
17-F 23,16 0,345 0,001500 0,0036 192,5 0,0104 66,6
17-G 16,44 0,374 0,001500 0,0036 192,5 0,0096 72,2
17-H 7,21 0,414 0,001900 0,0045 154 0,0109 63,6
248
Os dados obtidos para a Jazida Picollo são mais consistentes com relação ao tempo de
meia vida efetivo. Quando se exclui o ensaio de secagem, o tempo de meia vida fica em
torno de 13
±
5 horas, valor muito próximo das 10 horas determinadas para o Rejeito
Fino Peneirado.
Com relação a Cinza Grossa e à Jazida Empresa, ensaiados sem a membrana de sílica,
existe uma maior variabilidade do resultado. Isso ocorre porque existe uma parcela de
consumo e outro da influência da umidade no sensor e a temperatura ambiente, os
valores obtidos para a Jazida Empresa tem um tempo de meia vida em torno de 100
horas e Cinza Grossa em torno de 60 horas, indicando, portanto, que o consumo do
material é diferente.
A Figura 7.54 apresenta o teste com o decréscimo do sensor em função da umidade.
Onde os sensores 2 e 413 estão com membrana de sílica e os sensores 1 e 414 estão sem
a membrana de sílica.
y = 0.9832e
-0.0017x
R
2
= 0.4449
y = 0.9926e
-0.0025x
R
2
= 0.6368
y = 0.9994e
0.0004x
R
2
= 0.0512
y = 0.9996e
9E-05x
R
2
= 0.0053
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 413
Sensor 414
Expon. (Sensor 414)
Expon. (Sensor 1)
Expon. (Sensor 413)
Expon. (Sensor 2)
Secage
Sem isolamento térmico
Recipiente com
água
Isopor
Saturação da sílica
Célula com água
Figrua 7.54
– Variação da concentração normalizada com o tempo nos quatro sensores
utilizados na tese, e o ajuste correspondente.
A taxa de consumo e tempo de meia vida total obtidos foram de: K = 0,0059 h
-1
e t
1/2
=117,5 h para o sensor 1 e K = 0,0040 h
-1
e t
1/2
= 173,0 h para o sensor 414. Ou seja, nos
ensaios sem sílica deveria se determinar taxa de consumo superior a este valor, porque
ao determinar valores inferiores, estão sendo somente computados a parcela de umidade
do sensor.
Foi possível somente concluir que a Jazida Picollo e Rejeito Fino Peneirado têm um
consumo mais elevado e que foi detectado quando usada a membrana de sílica. E que
nos ensaios com a Cinza Grossa e a Jazida Empresa, ao colocar a membrana, o consumo
não foi detectado, e que, ao ensaiar sem a membrana a maioria dos ensaios apresentou
valores de taxa de consumo e tempo de meia vida semelhantes ao determinado para o
decréscimo do sensor em função da umidade, principalmente para a Jazida Empresa.
Destaca-se aqui que, para a determinação da taxa de consumo apresentada, foram
criados dois fatores de correção:
249
um fator que relaciona diretamente a inclinação da curva obtida no gráfico Ln C
versus
tempo com a relação do volume dos reservatórios pelo volume do
material. De forma a simplificar, a análise pode ser determinada também este
fator no gráfico concentração
versus
tempo com um ajuste exponencial realizado
com auxílio do programa Excel. Ou no gráfico de concentração normalizada
versus
tempo;
O outro fator de correção que deve ser associado ao primeiro é uma constante
que depende da saturação do material, se S
≥
0,7 a constante é 1,05 e para S <
0,7 a constante passa ter um valor de 1,12.
Os dois fatores foram propostos em função da comparação dos dados de entrada no
programa POLLUTE e o valor obtido gráfico Ln C
versus
tempo resultante da
modelagem. Os resultados da análise paramétrica que culminou na proposição destes
fatores encontram-se apresentados no ANEXO VI.
250
8. ESTUDO DA COBERTURA
8.1. Introdução
O capítulo 8 apresenta a metodologia e os resultados da modelagem numérica utilizando
o programa SOILCOVER. Este estudo apresenta a análise do comportamento da
cobertura proposta por UBALDO (2005) e MENDONÇA
et al.
(2003a) e a utilizada no
campo com relação à redução do fluxo de oxigênio. Avalia também a eficiência do
sistema de cobertura segundo a metodologia de NICHOLSON
et al.
(1989).
8.2. Modelo SOILCOVER
Segundo GEOANALYSIS LTD. (2000), o modelo SOILCOVER é baseado no método
de elementos finitos em um plano unidimensional que considera condições transientes.
Este modelo utiliza uma base física para predizer a troca de água e energia entre a
atmosfera e o solo. A base teórica obedece às leis de Fick’s, Darcy e Fourier para
descrever respectivamente o fluxo de água, vapor e calor. Este modelo pode prever o
fluxo na superfície do solo saturado ou não, levando em consideração as condições da
atmosfera, de cobertura vegetal e propriedades do solo, bem como pode estimar o fluxo
de oxigênio.
Para predizer estes fenômenos ao longo do tempo, o programa requer um sistema de
equações e como produto da resolução deste sistema de equações obtêm-se perfis de
umidade, sucção, temperatura, entre outros, o que permite ao operador visualizar o
comportamento de armazenamento e infiltração do sistema. UBALDO (2005) apresenta
uma síntese do sistema de equações utilizadas neste modelo.
A previsão do fluxo de água entre a superfície do solo e a atmosfera é um aspecto
crítico no projeto de coberturas de solo para resíduos de mineração potencialmente
geradores de acidez. O fluxo de umidade entre o solo e a atmosfera é um processo
complexo no qual dominam 3 fatores:
O suprimento e a demanda de água na superfície do solo, impostos por
condições atmosféricas, tais como precipitação total, radiação, velocidade do
vento e temperatura do ar;
A habilidade do solo em transmitir água e o regime hídrico associado; a
condutividade hidráulica e as características de armazenamento do solo
controlam o fluxo de umidade do solo;
Influência da vegetação: o tipo e densidade da vegetação afetam a evaporação
através do consumo de água pelas raízes das plantas e também por modificações
na carga de escoamento e retenção superficial.
251
Os dados de entrada podem ser separados nas seguintes categorias:
Parâmetros do solo – porosidade do solo, densidade real dos grãos, relação
sucção
versus
umidade. O modelo utiliza a equação de FREDLUND & XING
(1994) para interpolação dos dados de sucção
versus
umidade e gera uma curva
de retenção. E, a partir do ajuste da curva de retenção, utiliza a proposição
estatística de FREDLUND
et al.
(1994) para predizer a permeabilidade não
saturada do material. No caso da condutividade térmica e do calor específico, o
modelo permite duas opções: ou o usuário fornece seus próprios dados ou o
programa gera estes dados. Caso o operador opte por fornecer os dados, o
percentual de quartzo deve ser informado e o modelo utiliza a equação de
JOHANSEN (1975) que é utilizada para prever a condutividade térmica em
função do teor de umidade. No caso do calor específico, o modelo trabalha com
o método
de DE
VRIES (1953) que requer o conhecimento do valor de calor
específico do solo (J/kgC) para predizer o comportamento de calor específico de
acordo com o teor de umidade;
Parâmetros climáticos podem ser informados de forma detalhada ou reduzida:
Detalhada – Radiação total, precipitação, umidade relativa máxima e mínima,
temperatura máxima e mínima, velocidade do vento e latitude;
Reduzida – Precipitação, umidade relativa máxima e mínima, temperatura diária
do ar máxima e mínima, latitude.
Condições de contorno – para o estabelecimento das condições de contorno é
necessário conhecer os dados diários de fluxo na base e na superfície do sistema,
que podem ser explicitados pelos valores de sucção mátrica ou conteúdo de água
ou precipitação. A forma mais simplificada de explicitar na base é configurar a
malha até o nível de água e admitir que neste local a poro pressão é zero.
Condições iniciais – perfil da sucção mátrica ou conteúdo de água, e perfil de
temperatura devem ser informados;
Detalhes da modelagem - o programa também permite simular condições de uso
de vegetação (ponto de murchamento, índice de cobertura vegetal e
profundidade das raízes), ocorrência de gelo e degelo e a difusão do oxigênio.
O fluxo de oxigênio diário pela cobertura é determinado no programa a partir da
primeira Lei de Fick. Para tanto o código assume que o regime permanente é atingido
diariamente com relação ao movimento do oxigênio, e consequentemente a
concentração no topo e na base da cobertura e o fluxo de massa de oxigênio pode ser
calculado a partir do conhecimento do perfil de saturação ou de umidade.
O coeficiente de difusão pode ser determinado experimentalmente ou a partir de
equações empíricas conforme apresentado anteriormente. O programa SOILCOVER
utiliza as equações de COLLIN & RASMUSON (1988) e NICHOLSON (1991). A
relação empírica de MILLINGTON & SHEARER (1971) modificada por COLLIN &
RASMUSON (1988) pode ser utilizada não sendo necessário dados experimentais, pois
esta estimativa é obtida a partir do grau de saturação, porosidade e coeficiente de
difusão do oxigênio no ar. Com dados experimentais pode-se aplicar a equação proposta
por NICHOLSON (1991) para obter os parâmetros A e B a partir da regressão não
linear dos dados experimentais.
Os dados de saída diários são os seguintes: Evapotranspiração atual; Evapotranspiração
potencial; Fluxo na superfície, base e nó especificado; Escoamento superficial; Perfil de
umidade gravimétrico ou volumétrico; Perfil de grau de saturação; Perfil de sucção;
252
Perfil de temperatura; Perfil de condutividade hidráulica; e Perfil de concentração de
oxigênio.
Foram realizadas simulações com dados climáticos de campo referentes ao ano de 2000
levando em consideração as simulações apresentadas por MENDONÇA
et al.
(2003a) e
UBALDO (2005) buscando avaliar o fluxo de oxigênio na cobertura.
8.3. Condições das simulações
As simulações de campo foram realizadas com o objetivo de avaliar diferentes
configurações para estimar o fluxo de oxigênio a partir da cobertura, bem como avaliar
a eficiência no controle da infiltração buscando assim a melhor configuração de sistema
de cobertura que se enquadre à região sul de Santa Catarina.
As propriedades dos materiais usados nas simulações de campo são apresentadas na
Tabela 8.1.
Tabela 8.1 – Propriedades dos materiais usados na simulação.
Material n Gs K
sat
(cm/s)
θ
θθ
θ
w
M
v
(1/KPa)
Q
(%)
C
m
(J/Kg.C)
Jazida Empresa (JE – 1)
0,324 2,667 4,0x10
-6
0,26 2,4x10
-4
0,81 750
Jazida Empresa (JE – 2)
0,316 2,667 2,6x10
-8
0,26 2,4x10
-4
0,69 750
Jazida Picollo (JP -1)
0,411 2,581 2,7 x 10
-6
0,30 3,2 x 10
-4
0,70 750
Jazida Picollo (JP -2)
0,432 2,581 2,7 x 10
-7
0,30 3,2 x 10
-4
0,70 750
Cinza Grossa (CG)
0,515 2,043 2,0 x 10
-4
0,36 3,0 x 10
-4
1,6 850
Rejeito Fino Peneirado (RFP)
0,316 2,278 1,3 x 10
-3
0,17 4,0 x 10
-4
0,42 850
Rejeito Grosso (RG)
0,327 2,407 1,6x10
-2
0,03 9,0 x 10
-5
0,39 850
Q – percentual de quatro da amostra (dados utilizados Fluorescência)
Cm- calor específico (valores sugeridos pelo programa)
O coeficiente de variação volumétrico não foi determinado por ensaio para o Rejeito
Fino Peneirado e Rejeito Grosso, e, para estes, foram adotados os valores sugeridos pelo
programa. As curvas de retenção utilizadas encontram-se na Figura 8.1. As curvas de
retenção da Jazida Empresa, Jazida Picollo, Cinza Grossa e Rejeito Fino Peneirado
foram determinadas pela técnica do papel filtro. No caso do Rejeito Grosso, a curva de
retenção utilizada para esse material foi obtida a partir da comparação com dados da
literatura, sendo utilizada a curva apresentada por NEWMAN
et al.
(2001) para um
rejeito semelhante granulometricamente e quanto à permeabilidade saturada.
Segundo O’KANE
et al.
(2002), a curva de retenção pode ser utilizada na análise dos
materiais como barreira capilar, onde o material granular deve possuir o valor de
entrada de ar menor do que o material argiloso. Conforme pode ser observado na Figura
8.1, o material que possui o menor valor de entrada de ar é o Rejeito Grosso, seguido
respectivamente pelo Rejeito Fino Peneirado, Cinza Grossa, Jazida Picollo e Jazida
Empresa. Sendo assim, o Rejeito Grosso compõe uma barreira capilar com o Rejeito
Fino Peneirado; o Rejeito Fino Peneirado compõe com a Jazida Empresa ou Picollo
253
uma barreira capilar; e a Cinza Grossa compõe da mesma forma que o Rejeito Fino
Peneirado com as argilas.
0
10
20
30
40
50
60
0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0 10000.0 100000.0 1000000.0
Sucção Mátrica (kPa)
Umidade Volumétrica (%)
Jazida Empresa 1 e 2
Jazida Picollo 1 e 2
Cinza Grossa
Rejeito Fino Peneirado
Rejeito Grosso
Figura 8.1 – Curvas de retenção solo água utilizada como dado de entrada para o programa
SOILCOVER.
Com relação ao fluxo de oxigênio duas abordagens distintas foram utilizadas. Na
primeira foi utilizado o modelo de NICHOLSON (1991) com os dados obtidos pelo
autor e para os solos estudados, sendo utilizado também o modelo de COLLIN &
RASMUSON (1988). Posteriormente, optou-se por utilizar nas demais configurações
estudadas somente a equação de NICHOLSON (1991) com os parâmetros
α
e
β
,
obtidos a partir do ajuste dos ensaios de difusão. Os parâmetros para a Jazida Empresa e
para a Jazida Picollo obtidos experimentalmente são:
α
= 1,2917 e
β
= 0,091 para a
Jazida Empresa e
α
= 1,7368 e
β
= 0,1294 para a Jazida Picollo. O programa não
permite a entrada desses parâmetros para cada camada que compõe o sistema de
cobertura. Somente é possível entrar com um par de dados, ou seja, para uma única
camada de solo, que no caso foi escolhida a camada barreira (solo compactado). É
necessário também a definição de um nó na malha em que se estabeleça a concentração
do oxigênio neste ponto.
O programa estabelece um gradiente de concentração entre a concentração do oxigênio
no ar e a concentração no ponto definido. Por exemplo, na modelagem da cobertura
sobre um rejeito, deve-se estabelecer no nó a taxa de consumo do oxigênio neste resíduo
em g/m
3
, sabendo que a concentração do oxigênio no ar é de 280 g/cm
3
. Utilizando o
ensaio de difusão, analisando a concentração em um ponto fixo, no mesmo tempo de
ensaio com e sem consumo, determinou-se que o Rejeito Fino Peneirado com tempo de
meia vida total de 9,1 h, consome aproximadamente 2% do gás que chega neste local.
No caso das simulações estudadas, foi escolhido o terceiro nó abaixo da cobertura no
rejeito. Foram testadas duas concentrações de oxigênio neste ponto. A primeira se refere
a condição extrema 0 g/m
3
(maior gradiente) ou seja tudo que chega é consumido e a
segunda foi a obtida experimentalmente que é de 274 g/m
3
.
NEWMAN
et al.
(2001) realizaram um trabalho de dimensionamento de coberturas
utilizando o modelo SOILCOVER, onde foram sugeridos a espessura de 10 metros para
254
a camada de rejeito e a condição de nível d’água abaixo da camada. Segundo os autores,
o uso de uma espessura inferior para a camada de rejeito poderia influenciar na
condição de contorno e alterar o desempenho da cobertura. Outra sugestão dos mesmos
autores foi que eventos de chuva acima de 50 mm/dia fossem divididos em dois ou mais
dias, para não ocorrer erro no cálculo do escoamento superficial (runoff), já que o
escoamento superficial ocorre quando uma chuva muito intensa excede a
permeabilidade.
O’KANE
et al.
(2002) realiza análise paramétrica utilizando o programa SOILCOVER
estudando várias configurações de cobertura em três climas distintos (semi-árido, com
estação úmida marcada e úmido). As configurações testadas foram: cobertura com
configuração básica (armazenamento e liberação); com camada compactada e barreira
capilar dupla (várias camadas). Foi considerada também a presença ou não de
vegetação, bem como foi variada a profundidade do sistema radicular. O autor conclui:
a) que a cobertura de armazenamento e liberação é boa para clima semi-árido porque
esta absorve toda a precipitação e gradativamente libera para a atmosfera durante a seca;
b) que configurações com camada de solo compactada e barreira capilar, reduzem o
fluxo de água e oxigênio, são mais caras e indicadas principalmente para climas úmidos
e com estações úmidas; e c) que quanto mais profundo o sistema radicular da vegetação
menor é a percolação e a umidade no perfil, e consequentemente maior é o fluxo de gás,
principalmente na configuração com a camada de solo compactada.
A avaliação do uso de cobertura seca para minimização da drenagem ácida em rejeitos
de mineração de carvão da Bacia Carbonífera Sul Catarinense foi realizada por
MENDONÇA
et al.
(2003a) e UBALDO (2005).
MENDONÇA
et al.
(2003a) estudaram configurações de cobertura com o material
Jazida Empresa em sistema de cobertura com camada de proteção e barreira com auxílio
do programa SOILCOVER considerando os dados climáticos do ano de 2000 em quatro
situações distintas. Os resultados indicaram que todas as configurações com a camada
de solo compactada apresentaram uma significativa redução da taxa de infiltração,
contudo somente as configurações com mais de 60 cm de solo compactado
apresentaram valores de saturação média acima de 84% sendo sugerido o estudo de
outras configurações.
Enquanto que UBALDO (2005) fez algumas simulações para a região sul do Estado de
Santa Catarina considerando também os dados climáticos de 2000 com os materiais
Jazida Picollo, Areia e Cinza Grossa. Como resultado destaca-se que a configuração
com barreira capilar dupla foi a que teve o melhor resultado.
A caracterização do Rejeito Fino Peneirado indicou que suas características de
granulometria e sucção são semelhantes ao da Cinza Grossa utilizada por UBALDO
(2005) na barreira capilar dupla. Neste trabalho, optou-se por substituir a Cinza Grossa
pelo Rejeito Fino Peneirado como camada drenante da base na camada barreira.
O uso de materiais alternativos como a Cinza Grossa e o próprio rejeito, visa reduzir a
quantidade de solo necessário no sistema de cobertura minimizando um novo impacto
associada à extração desse solo para a cobertura. Outro fator importante, é que a
atividade mineral no local fez com que boa parte dos solos da região já estejam cobertos
por resíduos ou sendo utilizado em outras atividades (por exemplo agricultura).
255
Considerando que o sistema radicular de uma gramínea varia significativamente, a
escolha da espessura da camada de proteção é difícil. Sabendo que as gramas utilizadas
em jardins apresentam sistema radicular que não excede 30 cm e que o aumento da
profundidade do sistema radicular de 30 cm para 60 cm em configuração de sistema de
barreira capilar dupla não altera o fluxo de água e oxigênio para dentro do resíduo
(O’KANE
et al.,
2003). Determinou-se que a espessura da camada de proteção que
também é o substrato para a fixação da vegetação com a espessura de 40 cm e que a
profundidade do sistema radicular não excedesse 30 cm.
Para avaliar então a eficiência da cobertura foram estudadas as seguintes configurações,
conforme apresentado na Figura 8.2:
1)
Condição 1 (existente no local) - barreira hidráulica com 30 cm de argila pouco
compactada da Jazida Empresa e 10 m de Rejeito Grosso;
2)
Condição 2 (barreira capilar dupla com Jazida Empresa) – 30 cm de Cinza
Grossa como camada drenante, barreira hidráulica com 30 cm de argila
compactada da Jazida Empresa, 30 cm de Rejeito Fino Peneirado como camada
drenante de base e 10 m de Rejeito Grosso;
3)
Condição 3 (barreira capilar dupla vegetada com Jazida Empresa) – 40 cm de
solo Jazida Picollo fofa, 30 cm de Cinza Grossa como camada drenante, barreira
hidráulica com 30 cm de argila compactada da Jazida Empresa, 30 cm de Rejeito
Fino Peneirado como camada drenante de base e 10 m de Rejeito Grosso;
4)
Condição 4 (barreira capilar dupla com Jazida Picollo) – 30 cm de Cinza Grossa
como camada drenante, barreira hidráulica com 30 cm de argila compactada da
Jazida Picollo, 30 cm de Rejeito Fino Peneirado como camada drenante de base
e 10 m de Rejeito Grosso.
RG
1000 cm
1000 cm
RG
1000 cm
RG
30 cm
JE - 1
30 cm 30 cm
30 cm30 cm 30 cm
30 cm
RFP
RFP
JE - 2
JP - 2
CG
CG
(1) (2) (3) (4)
RFP
1000 cm 30 cm
RG
JE - 2
30 cm 30 cm
CG
40 cm
JP - 1
Grama
Siglas:
JE - Jazida Empresa
JP - Jazida Picollo
CG - Cinza Grossa
RG - Rejeito Grosso
RFP - Rejeito Fino Peneirado
Figura 8.2 – Desenho esquemático com as condições simuladas.
Nas simulações de campo foram usados os dados climáticos diários para a cidade de
Criciúma – SC, referentes ao ano 2000-2004 fornecidos pela Estação Experimental de
Urussanga (EPAGRI) administrada pelo INMET.
256
A Figura 8.3 apresenta a média mensal da temperatura (a) e umidade relativa (b),
enquanto que em (c) é mostrado o somatório mensal da precipitação e
evapotranspiração potencial, e o produto desta soma. Já a Figura 8.4 permite visualizar a
precipitação e evapotranspiração potencial acumulada para os anos de 2000 a 2004.
-10
0
10
20
30
40
50
0 12 24 36 48 60
Tempo (Meses)
Temperatura (
0
C)
Média Mensal - Temperatura Máxima
Média Mensal - Temperatura Mínima
Média 5 anos - Temperatura Máxima
Média 5 anos - Temperatura Mínima
(a)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 12 24 36 48 60
Tempo (Meses)
Umidade Relativa (%)
Média Mensal - Umidade Relativa Máxima
Média Mensal - Umidade Relatíva Mínima
Média 5 anos - Umidade Relativa Máxima
Média 5 anos - Umidade Relativa Mínima
(b)
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 12 24 36 48 60
Tempo (Meses)
Água (mm)
Somatório Mensal - Precipitação
Somatório Mensal - Evaporação Potencial
Diferença Somatório
(c)
Figura 8.3 – Dados climáticos da Estação Experimental de Urussanga (EPAGRI) iniciado em
Jan/2000 e concluído em Dez/2004, onde: (a) temperatura máxima e mínima do ar, (b) umidade
relativa máxima e mínima do ar, e (c) precipitação e evapotranspiração potencial considerando
os dados mensais.
257
0
500
1000
1500
2000
2500
2000 2001 2002 2003 2004
Tempo (anos)
Altura de Água Imm)
Precipitação
Evaporação Potencial
Excedente Hídrico
Figura 8.4 – Dados climáticos da Estação Experimental de Urussanga (EPAGRI) iniciados em
Jan/2000 e concluídos em Dez/2004 com a precipitação acumulada em (a) e evapotranspiração
potencial acumulada em (b).
Dos anos apresentados, o de 2001 foi o mais chuvoso e o de 2003 foi o mais seco.
Portanto, será feita uma análise mais detalhada da infiltração e do fluxo de oxigênio na
cobertura nestes anos.
Como dados de entrada da vegetação tem-se:
Início e término da estação do crescimento vegetativo;
Ponto de murcha definido como 1500 KPa e capacidade de campo definido
como 100 KPa, conforme sugestão do programa, que representam pontos que a
planta fica estressada e reduz a transpiração podendo até morrer;
Índice de cobertura vegetal que pode ser definida como excelente, boa ou pobre,
este índice interfere no balanço hídrico e reduz a evaporação potencial;
Nos dados de entrada diário são questionados o topo e a base do sistema
radicular.
A vegetação foi considerada a partir do segundo mês de simulação e persiste até o
último dia da simulação; com ponto de murcha de 1500 KPa e capacidade de campo de
100 KPa; o índice de cobertura vegetal considerado foi bom e a profundidade de topo
do sistema radicular foi de 3 cm e da base 30 cm. A vegetação indicada são espécies
forrageiras cujo sistema radicular não exceda 30 cm de profundidade.
8.4. Resultado e discussão das simulações
Foram realizadas algumas simulações preliminares e depois foram testadas diferentes
configurações de cobertura.
258
8.4.1. Simulações preliminares
Um trabalho de simulação inicial foi realizado testando o módulo que calcula o fluxo de
gás e depois foi determinado o fluxo de água e oxigênio na condição do resíduo sem
cobertura.
a) módulo de fluxo de gás
Como citado anteriormente, o programa permite determinar o fluxo de gás em um nó
específico, bem como o perfil de concentração de gás é calculado a partir das equações
de NICHOLSON (1991) e COLLIN & RASMUSON (1988). Como dados de entrada no
modelo de NICOHOLSON (1991) foi utilizado os parâmetros
α
e
β
definidos pelo
autor, e os obtidos experimentalmente para a Jazida Empresa. No caso do outro modelo
não é necessário dar entrada em nenhum parâmetro específico.
Foram testados também dois gradientes na cobertura: a) no primeiro todo gás que chega
à base da cobertura é consumido, ou seja, concentração de oxigênio é de 0 g/cm
3
neste
nó e b) no segundo 2% do gás que atinge a base da cobertura é consumido, ou seja, a
concentração de oxigênio no nó de interesse é de 274 g/m
3
.
A Tabela 8.2 apresenta uma síntese dos valores de fluxo de oxigênio para o ano de 2001
nas condições simuladas que são: NICHOLSON (1991) parâmetros do autor,
NICHOLSON (1991) parâmetros definidos para o solo Jazida Empresa1 e COLLIN &
RASMUSON (1988) considerando a porosidade da Jazida Empresa1 (n = 0,324) para
dois gradientes distintos.
Tabela 8.2 - Síntese do fluxo de oxigênio (g/m
2
) no ano de 2001 utilizando diferentes modelos,
parâmetros de ajuste e gradiente de concentração.
Equações e parâmetros de ajuste
Concentração de
oxigênio no nó
Nicholson (1991)
Autor
Nicholson (1991)
Ensaio
Collin &
Rasmuson (1988)
0 g/m
3
0,124 g/m
2
29,100 g/m
2
2,530 g/m
2
274 g/m
3
0,002 g/m
2
0,623 g/m
2
0,054 g/m
2
Os valores obtidos de fluxo anual de oxigênio foram extremos quando se utiliza a
equação de NICHOLSON (1991) nas duas situações de gradiente de concentração
estabelecidas na cobertura estudada. O fluxo máximo foi determinado com os
parâmetros de ajuste para a Jazida Empresa enquanto que o mínimo com os valores
obtidos da literatura.
Considerando o maior fluxo obtido a partir dos dados experimentais para a Jazida
Empresa, nota-se que ao utilizar os parâmetros de NICHOLSON (1991) e a equação de
COLLIN& RASMUSON (1988) ocorre uma redução de aproximadamente 99,6% e
91,3% desse fluxo respectivamente.
Ao comparar o resultado do ajuste de NICHOLSON (1991) utilizando os parâmetros
obtidos para a Jazida Empresa com o gradiente máximo e considerando a taxa de
consumo de oxigênio de 2% por parte do resíduo, observa-se uma queda de
aproximadamente 98% do fluxo anual de oxigênio. Este comportamento é semelhante
quando se usa os parâmetros de ajuste sugerido pelo autor ou a equação de COLLIN &
RASMUSON (1988). Conclui-se que o conhecimento da concentração na interface
259
cobertura resíduo é tão importante quanto o conhecimento do coeficiente de difusão
para o calculo do balanço de massa com relação a oxidação da pirita.
Tomando por base a Unidade Mineira Verdinho da Carbonífera Criciúma S.A. pode-se
estimar a quantidade de pirita oxidada em uma pilha de rejeitos. Considerando a
produção anual de 1.024.800 t/ano de rejeito por parte dessa empresa. E sabendo que
este rejeito apresenta aproximadamente 2,9% de enxofre pirítico, estima-se que sejam
dispostos anualmente 20.496 toneladas de pirita no depósito de rejeito dessa empresa
que têm aproximadamente 371.000 m
2
. Supondo que todo oxigênio que penetra e
atravessa o sistema de cobertura é consumido na oxidação da pirita conforme
apresentado na equação:
FeS
2
(s)
+ 15/4 O
2
(g)
+ 7/2H
2
O
(l)
↔
Fe(OH)
3
(s)
+ 2H
2
SO
4
(aq)
(Eq.8.1)
É possível estimar a partir do balanço de massa a quantidade de pirita que é oxidada e o
ácido sulfúrico gerado. Realizando um balanço de massa simples considerando a relação
que cada 3,75 moles de oxigênio oxidam um mol de pirita, gerando dois moles de ácido
sulfúrico. Estima-se que na pior situação observada, o fluxo de oxigênio pela cobertura
é de 29,1 g/m
2
em um ano, ou seja, 10,8 toneladas de oxigênio ultrapassam a cobertura e
oxidam aproximadamente 10,4 toneladas de pirita gerando 18,0 toneladas de ácido
sulfúrico caso a água seja disponível. A pirita oxidada é aproximadamente 0,05% do
que é gerada anualmente. Já quando se considera que somente 2% do que chega é
consumido, obtém-se 0,22 toneladas de pirita e 0,39 toneladas de ácido sulfúrico. O que
se pode observar é que o gás que atravessa o sistema é insuficiente para oxidar toda a
pirita produzida anualmente mesmo na condição descoberta.
Este exemplo mostra a relevância da determinação com precisão do fluxo que atravessa
a cobertura quando se observa o volume de ácido gerado, porque o processo de
oxidação persiste por vários anos. E com o conhecimento do fluxo de água e oxigênio, é
possível a partir de programas geoquímicos como o MINTEQA2 prever a qualidade do
efluente gerado e os produtos da oxidação com maior precisão. Com estas informações
é possível elaborar diversos cenários de cobertura e sistemas de tratamento de efluentes
de forma a encontrar a melhor relação custo-benefício destes sistemas, de forma a
otimizar o processo de remediação de uma área impactada por drenagem ácida de mina.
Em função dos resultados obtidos, foram determinados os fluxos nas condições de
cobertura simuladas que serão apresentadas a seguir utilizando a equação de
NICHOLSON (1991) com o gradiente máximo e considerando a taxa de consumo de
2% por parte do resíduo.
b) fluxo no resíduo descoberto
Com o intuito de avaliar o comportamento do resíduo descoberto foi simulada uma
pilha de Rejeito Grosso com 10 metros de altura para o ano de 2001, 2003 e no período
de 2000 – 2004. As características do Rejeito Grosso foram apresentadas na Tabela 8.1.
Com relação ao fluxo de oxigênio foi utilizada a equação de COLLIN & RASMUSON
(1988), porque não foram realizados ensaios de difusão neste resíduo, mesmo sabendo
que esta equação subestima os valores de oxidação desse material. Trata-se de uma
260
análise que tem por objetivo nortear os valores obtidos a título de comparação com a
cobertura quando esta for aplicada.
A Tabela 8.3 apresenta uma síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de
2001 (úmido), 2003 (seco) e no período de 2000- 2004.
Tabela 8.3 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003
(seco) e no período de 2000 a 2004 no resíduo descoberto.
2001 2003 2000-2004
Precipitação acumulada (mm) 2030,50
1506,20
8778,79
Evaporação atual acumulada (mm) -458,42
-425,70
-2124,46
Escoamento superficial acumulado (mm) 0
0
0
Infiltração na superfície acumulada (mm) 1572,06
1080,50
6654,33
Infiltração na superfície acumulada (%) 77,44
71,74
75,80
Fluxo acumulado na base da cobertura (mm) -1544,58
-955,35
-6635,23
Fluxo acumulado na base da cobertura (%) 76,00
63,42
75.58
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – máx 201,00
152,00
*
Dentro do perfil, valores negativos significam fluxo descendente. Nos contornos, valores negativos
significam fluxo deixando o perfil.
* - parâmetro não determinado
A Figura 8.5 apresenta o fluxo acumulado no período de 2000 - 2004 e na Figura 8.6 em
o grau de saturação obtido para o ano úmido 2001 em (a) e em (b) para o ano seco.
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tempo (dias)
Fluxo Acumulado (mm)
Evaporação Atual
Precipitação
Infiltração
Escoamento Superficial
Fluxo Acumulado
Figura 8.5 – Fluxo de água acumulado no resíduo no período de 2000 – 2004.
261
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
(b)
Figura 8.6 – Grau de saturação no resíduo no ano de 2001 (úmido) e no ano de 2003 (seco).
O ano seco apresentou menor taxa de infiltração e fluxo de água a 0,5 m de
profundidade, e surpreendentemente apresentou menor fluxo de oxigênio. Isto ocorreu
porque no ano seco de 2003, a precipitação foi menor, contudo foi mais bem distribuída
permitindo que o resíduo se mantivesse mais úmido. No resíduo a 0,5 metro de
profundidade foi considerada a concentração de oxigênio igual a zero, ou seja, todo
oxigênio que entra no resíduo é consumido antes de atingir essa profundidade, isso gera
um gradiente elevado e consequentemente um maior fluxo do gás. Essa condição de
contorno foi estabelecida considerando medições de concentração em pilhas de rejeito e
ensaios de coluna em laboratório (YANFUL, 1993; NICHOLSON
et al
., 1995; KUO &
RITCHIE, 1999; entre outros).
Para se ter uma idéia, o fluxo de oxigênio anual obtido oxidaria aproximadamente 72,0
e 54,5 toneladas de pirita considerando as condições climáticas do ano de 2001 e 2003
respectivamente. Isso corresponderia a aproximadamente 0,35% e 0,27% da pirita que
provavelmente foi disposta no depósito de rejeito da Unidade Mineira Verdinho nestes
anos.
8.4.2. Configuração da cobertura - Condição 1
A Figura 8.7 apresenta o fluxo acumulado no período de 2000 - 2004 na condição 1
(pilha de rejeito com10 metros de altura e com 30 cm da Jazida Empresa). As Figuras
8.8 e 8.9 mostram o grau de saturação (a) e o fluxo de oxigênio na cobertura (b) no ano
de 2001 e 2003, respectivamente. A Tabela 8.4 apresenta uma síntese do fluxo
acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003 (seco) e no período de
2000 - 2004.
Esta simulação reproduz a condição da cobertura no campo. No período de 2000-2004
observa-se que 42% da precipitação infiltram pela cobertura, onde 9% desta parcela
ultrapassa a base da cobertura, e menos de 2% da precipitação escoa superficialmente,
sendo o restante perdido por evapotranspiração. No caso do ano úmido a infiltração na
cobertura foi de 50% e 13% atinge o resíduo, bastante diferente do ano seco que
apresenta 32% de infiltração pela cobertura, onde aproximadamente 7% atingem o
resíduo. Comparando esta configuração com resíduo descoberto ocorre uma redução da
infiltração de 76% para 6%. Nesta simulação a cobertura atingiu saturações inferiores a
40%, que no caso do material estudado, provoca trincamento.
262
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tempo (dias)
Fluxo Acumulado (mm)
Evaporação Atual
Precipitação
Infiltração
Escoamento Superficial
Fluxo Acumulado
Figura 8.7 – Fluxo de água acumulado na cobertura com 30 cm da Jazida Empresa compactada
no período de 2000 – 2004.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JE - 0,3 m
RG - 10,0 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JE - 0,3 m
RG - 10,0 m
(b)
Figura 8.8 – Cobertura com 30 cm da Jazida Empresa compactada no ano de 2001 (úmido),
onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JE - 0,3 m
RG - 10,0 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JE - 0,3 m
RG - 10,0 m
(b)
Figura 8.9 – Cobertura com 30 cm da Jazida Empresa compactada no ano de 2003 (seco), onde
em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
263
Tabela 8.4 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003
(seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 1.
2001 2003 2000-2004
Precipitação acumulada (mm) 2030,50
1506,20
8778,79
Evaporação atual acumulada (mm) -950,14
-980,98
-4947,50
Escoamento superficial acumulado (mm) 39,71
39,17
138,50
Infiltração na superfície acumulada (mm) 1040,00
486,06
3692,79
Infiltração na superfície acumulada (%) 51,22
32,27
42,06
Fluxo acumulado na base da cobertura (mm) -137,15
-36,07
-445,71
Fluxo acumulado na base da cobertura (%) -6,75
-2,39
-5,08
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – 2% 0,63
1,36
*
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – máx 29,1
63,3
*
Dentro do perfil, valores negativos significam fluxo descendente. Nos contornos, valores negativos
significam fluxo deixando o perfil.
* - parâmetro não determinado
Com relação ao fluxo de oxigênio, o ano seco como era de se esperar apresentou um
maior fluxo atingindo o valor de 1,36 g/m
2
em um ano considerando o gradiente baixo
(2% do que chega ao nó e consumido) e 63,3 g/m
2
em um ano considerando o gradiente
alto (todo o oxigênio que chega é consumido no nó). Essa configuração produz uma
redução de 85% e 58% da pirita oxidada considerando respectivamente os dados
climáticos de 2001 e 2003 e o gradiente máximo na cobertura. Esta configuração se
mostrou bem sensível às condições climáticas com relação ao resultado de fluxo de
oxigênio.
8.4.3. Configuração da cobertura - Condição 2
A Figura 8.10 apresenta o fluxo acumulado no período de 2000 - 2004 na condição 2
(pilha de rejeito com10 metros de altura coberto por 30 cm de Rejeito Fino Peneirado,
30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada). As
Figuras 8.11 e 8.12 mostram o grau de saturação (a) e o fluxo de oxigênio na cobertura
(b) no ano de 2001 e 2003 respectivamente. A Tabela 8.5 apresenta uma síntese do
fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003 (seco) e no
período de 2000 - 2004 na condição 2 simulada.
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tempo (dias)
Fluxo Acumulado (mm)
Evaporação Atual
Precipitação
Infiltração
Escoamento Superficial
Fluxo Acumulado
Figura 8.10 – Fluxo de água acumulado na cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30
cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa no período de 2000 – 2004.
264
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE - 0,3 m
RFP - 0,3 m
(a)
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE - 0,3 m
RFP - 0,3 m
(b)
Figura 8.11 – Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa
compactada e 30 cm de Cinza Grossa no ano de 2001 (úmido), onde em (a) perfil do grau de
saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE - 0,3 m
RFP - 0,3 m
(a)
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE - 0,3 m
RFP - 0,3 m
(b)
Figura 8.12 – Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa
compactada e 30 cm de Cinza Grossa no ano de 2003 (seco), onde em (a) perfil do grau de
saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
Tabela 8.5 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003
(seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 2.
2001 2003 2000-2004
Precipitação acumulada (mm) 2030,50
1506,20
8778,79
Evaporação atual acumulada (mm) -1047,84
-1059,01
-5498,11
Escoamento superficial acumulado (mm) 1006,59
421,40
3435,20
Infiltração na superfície acumulada (mm) -23,93
-25,79
-154,51
Infiltração na superfície acumulada (%) -1,18
-1,71
-1,76
Fluxo acumulado na base da cobertura (mm) -0,67
-0,02
-3,99
Fluxo acumulado na base da cobertura (%) -0,03
0,00
-0,05
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – 2% 0,0132
0,0141
*
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – máx 0,6150
0,6600
*
Dentro do perfil, valores negativos significam fluxo descendente. Nos contornos, valores negativos
significam fluxo deixando o perfil.
* - parâmetro não determinado
Esta simulação reproduz a condição da cobertura indicada por UBALDO (2005), onde a
Jazida Picollo foi substituída pela Jazida Empresa.
265
No caso do ano úmido e seco aproximadamente 2% da precipitação saiu pela cobertura,
onde no ano úmido 50% da precipitação escoou superficialmente, enquanto que no ano
seco foi aproximadamente 28%.
Com relação ao fluxo de oxigênio, tanto no ano úmido como no ano seco não excedeu
0,02 g/m
2
ano para o fluxo mínimo e 0,7 g/m
2
ano no fluxo máximo para o clima seco
ou úmido. Comparando o fluxo máximo obtido nesta simulação com relação a condição
descoberta, observa-se uma redução de 99,7% do fluxo de oxigênio nos dois anos
estudados. Esta configuração não mostrou diferenças significativas quanto ao fluxo no
ano seco e úmido.
Excluindo a condição inicial da cobertura em que a camada de argila encontrava-se com
aproximadamente 80% de grau de saturação, esta manteve-se saturada durante toda a
simulação. A concentração no resíduo encontra-se igual a do ar, mas, o fluxo é reduzido
em função do grau de saturação. A colocação da barreira capilar dupla com o resíduo e
a Cinza Grossa aumentou significativamente a eficiência do sistema com relação à
redução do fluxo de água e ar.
8.4.4. Configuração da cobertura - Condição 3
A Figura 8.13 apresenta o fluxo acumulado no período de 2000 - 2004 na condição 3
(pilha de rejeito com 10 metros de altura coberto por 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30
cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza
Grossa compactada acrescida de vegetação). As Figuras 8.14 e 8.15 mostram o grau de
saturação (a) e o fluxo de oxigênio na cobertura (b) no ano de 2001 e 2003
respectivamente. A Tabela 8.6 apresenta uma síntese do fluxo acumulado de água e
oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003 (seco) e no período de 2000 - 2004 na
condição 3 simulada.
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tempo (dias)
Fluxo Acumulado (mm)
Evaporação Atual
Precipitação
Infiltração
Escoamento Superficial
Fluxo Acumulado
Figura 8.13 – Fluxo de água acumulado na cobertura com 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30 cm
de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa
compactada acrescida de vegetação no período de 2000 – 2004.
266
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE 1- 0,3 m
RFP - 0,3 m
JP - 0,4 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE 1- 0,3 m
RFP - 0,3 m
JP - 0,4 m
(b)
Figura 8.14 – Cobertura com 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30
cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada acrescida de vegetação
no ano de 2001 (úmido), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de concentração de
oxigênio.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE 1- 0,3 m
RFP - 0,3 m
JP - 0,4 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
CG - 0,3 m
JE 1- 0,3 m
RFP - 0,3 m
JP - 0,4 m
(b)
Figura 8.15 – Cobertura com 40 cm da Jazida Picollo fofa, 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30
cm da Jazida Empresa compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada acrescida de vegetação
no ano de 2003 (seco), onde em (a) perfil do grau de saturação e (b) perfil de concentração de
oxigênio.
Tabela 8.6 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003
(seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 3.
2001 2003 2000-2004
Precipitação acumulada (mm) 2030,50
1506,20
8778,79
Evaporação atual acumulada (mm) -729,67
-972,83
-3695,41
Escoamento superficial acumulado (mm) 0,00
0,00
0,00
Infiltração na superfície acumulada (mm) 1352,24
582,01
5154,59
Infiltração na superfície acumulada (%) 66,60
38,64
58,72
Fluxo acumulado na base da cobertura (mm) -3,08
-2,73
-2,10
Fluxo acumulado na base da cobertura (%) -0,15
-0,18
-0,02
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – 2% 0,0148
0,0148
*
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – máx 0,6920
0,6920
*
Dentro do perfil, valores negativos significam fluxo descendente. Nos contornos, valores negativos
significam fluxo deixando o perfil.
* - parâmetro não determinado
267
Esta simulação reproduz a condição da cobertura indicada por UBALDO (2005), onde a
Jazida Picollo foi substituída pela Jazida Empresa, incorporando o elemento da
vegetação, conforme sugerido por MENDONÇA
et al.
(2003). Em função da colocação
da vegetação a cobertura vegetal não apresentado escoamento superficial. A vegetação
também reduz a evaporação por parte do solo, mas impõe uma parcela referente à
evapotranspiração. Com relação ao fluxo de água na interface cobertura-resíduo,
observa-se uma pequena taxa de infiltração que não excede 0,5%. Com relação ao fluxo
de oxigênio, este manteve-se constante nos anos simulados, e um pouco superior do que
na condição sem a vegetação. Isto ocorre porque a vegetação maximiza a entrada de
água, mas consome também a água reduzindo o teor de umidade e consequentemente
aumentando o fluxo de gás. Tal como na condição 2 simulada o fluxo máximo de
oxigênio obtido foi 99,7% inferior quando comparada com a condição descoberta.
Quanto ao perfil de saturação, este não é tão uniforme com relação às simulações
anteriormente apresentadas. Isto ocorre porque o programa pede que seja colocada a
profundidade do sistema radicular que foi de 3 cm a 30 cm de profundidade, sendo nesta
região que a planta irá captar a água. Conforme pode ser observado nos perfis, é nesta
região que se observa a maior variação do grau de saturação que atinge valores
inferiores em torno de 40% e máximos de 90% na camada colocada para fixação da
vegetação.
8.4.5. Configuração da cobertura - Condição 4
A Figura 8.16 apresenta o fluxo acumulado no período de 2000 - 2004 na condição 4
(pilha de rejeito com 10 metros de altura coberto por 30 cm de Rejeito Fino Peneirado,
30 cm da Jazida Picollo compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada). As Figuras
8.17 e 8.18 mostram o grau de saturação (a) e o fluxo de oxigênio na cobertura (b) no
ano de 2001 e 2003 respectivamente. A Tabela 8.7 apresenta uma síntese do fluxo
acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003 (seco) e no período de
2000-a 2004 na condição 4 simulada.
Esta simulação reproduz a condição da cobertura indicada por UBALDO (2005)
realizada com o solo designado Jazida Picollo. A diferença entre as simulações é que
foram utilizados os parâmetros referentes à curva de retenção com o método do papel
filtro para a Jazida Picollo. E também, a Cinza Grossa do topo teve a sua espessura
reduzida em 10 cm e na condição inicial a argila estava com aproximadamente 70% de
saturação.
268
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tempo (dias)
Fluxo Acumulado (mm)
Evaporação Atual
Precipitação
Infiltração
Escoamento Superficial
Fluxo Acumulado
Figura 8.16 – Fluxo de água acumulado na cobertura 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm
da Jazida Picollo compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada no período de 2000 – 2004.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
RG - 10,0 m
JP - 0,3 m
CZ - 0,3 m
RG - 10,0 m
RFP - 0,3 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JP - 0,3 m
CZ - 0,3 m
RG - 10,0 m
RFP - 0,3 m
(b)
Figura 8.17 – Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Picollo
compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada no ano de 2001 (úmido), onde em (a) perfil
do grau de saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 20 40 60 80 100 120
Grau de Saturação (%)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JP - 0,3 m
CZ - 0,3 m
RG - 10,0 m
RFP - 0,3 m
(a)
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
0 50 100 150 200 250 300 350
Concentração Oxigênio (g/m
3
)
Elevação (m)
0
60
120
150
180
240
300
360
JP - 0,3 m
CZ - 0,3 m
RG - 10,0 m
RFP - 0,3 m
(b)
Figura 8.18 – Cobertura com 30 cm de Rejeito Fino Peneirado, 30 cm da Jazida Picollo
compactada e 30 cm de Cinza Grossa compactada no ano de 2003 (seco), onde em (a) perfil do
grau de saturação e (b) perfil de concentração de oxigênio.
269
Tabela 8.7 - Síntese do fluxo acumulado de água e oxigênio nos anos de 2001 (úmido), 2003
(seco) e no período de 2000 a 2004 na condição 4.
2001 2003 2000-2004
Precipitação acumulada (mm) 2030,50
1506,20
8778,79
Evaporação atual acumulada (mm) -1097,72
-1083,60
-5627,78
Escoamento superficial acumulado (mm) 1368,86
705,14
5212,78
Infiltração na superfície acumulada (mm) -436,08
-282,54
-2061,77
Infiltração na superfície acumulada (%) -21,48
-18,76
-23,49
Fluxo acumulado na base da cobertura (mm) -0,46
-0,22
-0,02
Fluxo acumulado na base da cobertura (%) -0,02
-0,01
0,00
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – 2% 0,716
0,855
*
Fluxo oxigênio na base da cobertura (g/m
2
) – máx 33,400
39,900
*
Dentro do perfil, valores negativos significam fluxo descendente. Nos contornos, valores negativos
significam fluxo deixando o perfil.
* - parâmetro não determinado
O que se observou é que a simulação obtida diferiu significativamente da obtida por.
UBALDO (2005). A camada de solo compactada na condição 4 não atingiu a saturação
em nenhum dos dias simulados, mantendo-se próxima da saturação inicial. Com relação
ao fluxo de oxigênio, obteve-se um valor maior do que nas condições 2 e 3 simuladas e
inferior a condição 1.
Observa-se que esta condição simulada, apresentou um elevado escoamento superficial
associada a uma elevada taxa de evaporação, reduzindo significativamente a taxa de
infiltração levando até a obtenção de um fluxo negativo neste elemento devido à perda
de umidade para a atmosfera. Com relação fluxo de água na interface solo-resíduo, esse
se mostrou praticamente inexiste. Ou seja, reduziu o fluxo para o interior da cobertura,
contudo a água não infiltrou ao ponto de atingir a camada de solo compactado.
Provavelmente esta configuração funcionaria bem quando simulada com a vegetação.
Pois a vegetação tornaria nulo o escoamento superficial e aumentaria a taxa de
infiltração, contudo não é garantido que o fluxo gerado seja suficiente para saturar a
camada de argila compactada.
8.5. Eficiência da cobertura
Além da determinação do fluxo pela cobertura, uma abordagem que pode ser tomada é a
determinação da eficiência do sistema de cobertura conforme proposto por
NICHOLSON
et al.
(1989). Nos sistemas de cobertura o gás deve primeiro difundir
pela cobertura para depois ser consumindo no interior do rejeito, estabelecendo-se um
gradiente de concentração na interface solo-residuo conforme ilustrado na Figura 8.19.
As equações que regem o fluxo em um sistema composto por resíduo e cobertura, e as
respectivas condições de contorno descritas por NICHOLSON
et al.
(1989) encontram-
se sumarizadas na Tabela 8.8.
270
Água
Oxigênio
Cobertura
Profundidade
Concentração
de oxigênio
(atm)
0 1
Rejeito
Figura 8.19 – Diagrama esquemático mostrando a variação da concentração do oxigênio a
partir da cobertura não reativa e dos rejeitos reativos (NICHOLSON
et al.,
1989).
Tabela 8.8 – Equações que regem o fluxo de gás em sistema composto por resíduo e cobertura
segundo NICHOLSON
et al.
(1989).
Condição Equação
No rejeito no estado estacionário onde: ∂C/∂t = 0 e quando C
(0)= C
0
e C (∞) = 0
2/1
0
exp
−=
e
D
K
zCC
Fluxo difusivo na interface do material de cobertura e o rejeito
no estado estacionário
(
)
2/1
RLL
KDCF =
Fluxo difusivo na cobertura no estado estacionário
(
)
L
CCD
F
LC
C
−
=
0
Fluxo no sistema descoberto no estado estacionário
(
)
2/1
00
R
KDCF =
Na condições de contorno C(z) = C
0
para z = 0 e C (z) = 0 para
z → ∞, a eficiência do sistema de cobertura (E
c
) com relação à
redução do fluxo de oxigênio
Fc
F
Ec
0
=
( )
1
2/1
+
=
C
R
D
L
KDEc
No estado transiente (onde as reações de oxidação continuam
ocorrendo) a concentração na interface da cobertura se
aproxima de zero
( )
1
1
2/1
0
+
=
C
R
L
D
l
KD
C
C
Quando a concentração de oxigênio na interface entre o solo de
cobertura e os rejeitos for desprezível em relação à
concentração de oxigênio na superfície, o fluxo total de
oxigênio a partir da cobertura no estado estacionário
representado por F
C
L
CD
F
C
C
0
=
F
0
- Fluxo no sistema descoberto no estado estacionário rejeito (ML
-2.
T
-1
);
F
L
- fluxo difusivo entre o material de cobertura e o rejeito (ML
-2.
T
-1
);
C
L
– concentração de oxigênio na interface entre o material de cobertura e os rejeitos (MT
-1
);
F
C
- fluxo difusivo a partir da cobertura sem consumo de oxigênio (ML
-2
.T
-1
);
E
C
– eficiência do sistema de cobertura;
D
C
– coeficiente de difusão efetivo do material de cobertura (L
2
T
-1
);
L – espessura da cobertura (L)
271
Valores elevados de eficiência do sistema de cobertura (E
C
) indicam a redução do fluxo
de oxigênio. Segundo NICHOLSON
et al.
, (1989) uma cobertura com eficiência de
1x10
2
apresenta um fluxo de oxigênio para o interior dos rejeitos sem nenhum sistema
de cobertura aplicado sobre sua superfície cem vezes superior ao obtido com a
cobertura. O potencial de redução do fluxo de oxigênio verificado pelos autores é de
quase quatro ordens de grandeza para uma cobertura de aproximadamente 1 metro de
espessura.
A relação concentração de gás na interface cobertura-rejeito e a concentração do gás na
atmosfera (C
L
/C
0)
decresce com o aumento da espessura da cobertura (L), com a
diminuição do coeficiente de difusão da cobertura (D
C
) e com o aumento do coeficiente
de difusão dos rejeitos (D
R
).
Segundo NICHOLSON
et al.
, (1989) nas situações convencionais a quantidade de pirita
é tão elevada que a taxa de consumo de oxigênio pelos rejeitos excede a taxa de
oxigênio que difunde pela cobertura. Podendo-se simplificar a relação afirmando que o
fluxo resultante passa a ser função do coeficiente de difusão e da espessura da cobertura
(D
C
/L).
Neste trabalho, a espessura da camada barreira foi definida como sendo igual a 0,3 m
tal como simulado anteriormente. Sendo assim, o fluxo de oxigênio pela camada de solo
compactado pode ser descrita pela Equação 8.2. Ao fixar a espessura da cobertura o
fluxo passa a ser limitado somente pelo coeficiente de difusão.
(
)
LCC
CCDF
−
=
0
33,3 (Eq. 8.2)
E pode-se também reescrever a equação da eficiência da cobertura apresentada na
Tabela 8.8, substituindo a variável L pelo valor da espessura da cobertura de 0,30 m
conforme apresentado na Equação 8.3.
( )
1
3,0
2/1
+
=
C
R
D
KDEc
(Eq. 8.3)
Os parâmetros K e D
R
presentes na equação 8.3 dependem das características dos
rejeitos, enquanto que D
C
é o único parâmetro sobre o qual se pode atuar para que a
acidificação do sistema seja reduzida. Da relação entre os fluxos anterior (F
0
) e após a
aplicação da cobertura (F
C
) resulta na eficiência da cobertura E
C
, que é função do grau
de saturação no solo. Isso ocorre porque o grau de saturação é função da saturação no
solo. Neste estudo não foi considerado o consumo por parte da barreira de solo
compactado e a variação da taxa de consumo e do coeficiente de difusão no rejeito.
Segundo GEOANALYSIS LTD. (2000) a concentração do oxigênio na superfície do
solo (C
0
) pode ser assumida como 280 g/m
3
. A constante de reação (K) utilizada foi a
2,12 x10
-5
s
-1
obtida a partir da equação que considera uma taxa de reação puramente
abiótica conforme apresentado no item 7.4.4 e que foi confirmado pelos ensaios de
consumo em laboratório. Com relação ao coeficiente de difusão do resíduo (D
R
), foi
utilizado o valor obtido para o Rejeito Fino Peneirado de 5,65 x10
-7
m
2
/s.
272
Em função do apresentado no item 8.4 será assumida a pior situação observada em que
o rejeito consome todo oxigênio que atravessa a cobertura, ou seja, a concentração na
interface solo rejeito(C
L
) será considerada 0 g/m
3
.
Na análise da eficiência da cobertura, somente será estudado o solo que apresentou
melhor resultado na modelagem com o programa SOILCOVER que foi o Jazida
Empresa. Para facilitar análise, foram escolhidos os modelos preditivos de
MILLINGTON & QUIRK (1960) e NICHOLSON (1991) para descrever a variação do
coeficiente de difusão em função do grau de saturação. O modelo de MILLINGTON &
QUIRK (1960) foi utilizado porque apresenta melhor quanto à previsão do coeficiente
de difusão para a Jazida Empresa e por se tratar de um modelo simples baseado na
porosidade do material (0,316). O modelo de NICHOLSON (1991) foi escolhido por ser
este o utilizado pelo programa SOILCOVER.
Aplicando a Equação 8.3 para os valores apresentados, considerando a variação do
coeficiente de difusão segundo o grau de saturação nos dois modelos distintos, obtêm-se
o resultado apresentado na Figura 8.20. Onde na Figura 8.20 (a) é apresentada a
variação do coeficiente de difusão efetivo em função do grau de saturação utilizando as
equações de MILLINGTON & QUIRK (1960) e NICHOLSON (1991) enquanto que a
Figura 8.20 (b) relaciona o coeficiente de difusão efetivo em função da eficiência da
cobertura.
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Grau de Saturação
Coeficiente de Difusão na Cobertura (m
2
/s)
Millington e Quirk (1960)
Nicholson (1991)
(a)
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08
Eficiência da Cobertura (Ec)
Coeficiente de Difusão na Cobertura (m
2
/s)
Millington e Quirk (1960)
Nicholson (1991)
Cobertura Eficiente
(b)
Figura 8.20 – Coeficiente de difusão na cobertura em função do grau de saturação para o solo
Jazida Empresa (a) e em (b) Eficiência da cobertura em função do coeficiente de difusão na
cobertura.
273
Para o Rejeito Fino Peneirado e o solo Jazida Empresa (compactado com 30 cm de
espessura), para que se tenha uma cobertura com eficiência de 1x10
2
é necessário que a
mesma mantenha um coeficiente de difusão efetivo da ordem de 1 x 10
-8
m
2
/s. O valor
de coeficiente de difusão obtido para essa eficiência corresponderia a um grau de
saturação de 95% segundo o modelo preditivo de NICHOLSON (1991) e 98% segundo
o modelo de MILLINGTON & QUIRK (1960). Este valor coincidiu com o valor de
entrada de ar deste material indicando uma correlação entre os parâmetros.
A Figura 8.21 apresenta o fluxo na cobertura com 0,3 m de espessura em função do grau
de saturação. Para a eficiência de cobertura definida ocorreria um fluxo na cobertura de
1 x10
-5
g/m
2
s independente do modelo preditivo utilizado.
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
1.00E-02
1.00E-01
1.00E+00
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Grau de Saturação
Fluxo de Oxigênio (g/m
2
s)
Millington e Quirk (1960)
Nicholson (1991)
Figura 8.21 - Fluxo de oxigênio pela cobertura de 30 cm de espessura em função do grau de
saturação.
Na equação que rege a eficiência da cobertura considerando o coeficiente de difusão e o
consumo no rejeito constante, e se o coeficiente de difusão for mantido e a espessura da
camada aumentar a eficiência da cobertura também aumenta. Por exemplo, se a
espessura fosse alterada de 0,3 para 1,0 m a eficiência da cobertura passaria de 1x10
2
para 3x10
2
conforme pode ser observado na Figura 8.22. Ou seja, reduziria o fluxo de
gás três vezes mais do que com 0,3 cm.
1.00E-14
1.00E-13
1.00E-12
1.00E-11
1.00E-10
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08
Eficiência da Cobertura (Ec)
Coeficiente de Difusão na Cobertura (m
2
/s)
0.3
0.6
1.0
Cobertura Eficiente
Figura 8.22 – Variação da eficiência da cobertura em função do coeficiente de difusão do solo
Jazida Empresa para as espessuras de 0,3, 0,6 e 1,0 m.
274
8.6 Considerações finais
Em relação às simulações realizadas concluiu-se:
Que ao considerar os parâmetros de ajuste para a equação de NICHOLSON
(1991) obtidos para a Jazida Empresa, determinou-se o fluxo máximo de
oxigênio pela cobertura quando comparada com os resultados de equações que
não consideram dados experimentais ou utilizando parâmetros da literatura;
Com relação ao fluxo de oxigênio, observou-se que tão importante quanto o
conhecimento do coeficiente de difusão é o conhecimento da concentração no
interior do resíduo ou na interface solo–resíduo de forma a determinar o fluxo
pela cobertura com maior precisão;
No caso do rejeito descoberto, sabendo que a área do depósito de rejeito é de
aproximadamente 371.000 m
2
, e que o fluxo acumulado no resíduo a 0,5 m de
profundidade é de 6,6 m, em cinco anos seriam gerados aproximadamente
24,5x10
5
m
3
de efluente, ou aproximadamente 1342 m
3
dia.
Considerando a produção anual de rejeitos e que este tem aproximadamente
2,9% de enxofre pirítico, estima-se que anualmente a empresa disponha no
depósito de rejeitos 20.496 toneladas de pirita. Sabendo que o fluxo máximo é
de 201 e 152 g/m
2
a 0,5 m de profundidade para os anos de 2001 e 2003
respectivamente, estima-se que este fluxo oxidaria aproximadamente 72,0 e 54,5
toneladas de pirita considerando o clima desses anos. Isso corresponderia a
aproximadamente 0,35% e 0,27% da pirita que provavelmente foi disposta no
depósito de rejeito da Unidade Mineira Verdinho nestes anos.
A simulação que reproduz a condição de cobertura utilizada no campo foi a que
apresentou o pior resultado. Esta configuração mostra um elevado potencial de
perda de umidade atingindo valores de grau de saturação que variam de 100%
até 40%. O que não é indicado para o material Jazida Empresa que apresenta
contração. Em contrapartida, entre as configurações que não consideram a
vegetação, essa foi a que apresentou a maior taxa de infiltração na superfície e
na interface solo-rejeito. Isso indica que esta configuração não tem poder de
armazenamento, ou seja, a água que infiltra é transmitida para as camadas
inferiores. No caso da configuração simulada sabendo que a área do depósito de
rejeito é de aproximadamente 371.000 m
2
, e que o fluxo acumulado na interface
solo-resíduo é de aproximadamente 0,5 m, em cinco anos seriam gerados com
esta cobertura aproximadamente 185.500 m
3
de efluente, ou aproximadamente
102 m
3
dia. Esse volume de efluente é relativamente pequeno quando se
considera o volume do depósito descoberto. A dessaturação do perfil é muito
mais nociva, porque favorece o fluxo do oxigênio provocando a sua oxidação e
com a água que infiltra gera DAM. Esse perfil é o pior, entre os simulados com
cobertura, com relação ao fluxo de gás e água;
A capacidade de não armazenamento da Jazida Empresa indica a necessidade da
colocação de uma barreira capilar no topo, e com menor importância na base
devido à infiltração na interface solo-resíduo. O perfil de saturação entre o
Rejeito Grosso e a Jazida Empresa não indicou perda de umidade entre o solo e
o rejeito. Isso ocorre porque naturalmente esses materiais compõem uma
barreira capilar. Mas, durante a execução da cobertura, a argila infiltraria para
dentro do resíduo grosso;
UBALDO (2005) sugere o uso de barreira capilar dupla para compor sistema de
cobertura de resíduos piritosos nessa região. Para compor o sistema de
275
cobertura, a referida autora indica a Cinza Grossa estudada nesta tese e a Jazida
Picollo. O resultado da condição 1 considerando as mesmas condições
ambientais corrobora esta necessidade;
A empresa utiliza o Rejeito Fino Peneirado, principalmente nos dias de chuva,
para capear as pistas de acesso e o depósito de rejeitos, por se tratar de um
material permeável e menos escorregadio (menor teor de matéria orgânica que
os demais rejeitos produzidos) evitando acidentes. Do ponto de vista geotécnico,
o Rejeito Fino Peneirado apresenta característica granular com relação à
granulometria e de sucção semelhantes a Cinza Grossa. O valor de entrada de ar
deste material é inferior ao da Jazida Picollo e da Jazida Empresa tal como a
Cinza Grossa, o que, segundo O’KANE
et al
. (2002), permite o seu uso como
barreira capilar quando em contato com os materiais argilosos citados. Com o
objetivo de evitar a perda de solo e uma maior minimização do fluxo na
interface solo-rejeito, e ao mesmo tempo, sugerindo um gerenciamento da
disposição do resíduo, optou-se em dispor o Rejeito Fino Peneirado entre o
Rejeito Grosso e a Jazida Empresa. Não é recomendado o uso do Rejeito Fino
Peneirado no topo do sistema de cobertura, por se tratar de um resíduo Classe II-
A que prescinde de encapsulamento. Para reduzir a perda de umidade por parte
do solo Jazida Empresa, optou-se em acatar a sugestão de UBALDO (2005)
dispondo a Cinza Grossa sobre ele na interface solo-atmosfera;
Como resultado da simulação da barreira capilar dupla composta pela Cinza
Grossa, Jazida Empresa e Jazida Picollo com ou sem vegetação, obteve-se os
melhores resultados quanto ao fluxo de água e oxigênio. No caso da simulação
com a vegetação, esta não apresenta escoamento superficial, maximizando a
infiltração e reduzindo a evaporação. Isto gera um fluxo maior de água na
interface Rejeito Fino Peneirado e Rejeito Grosso, mas este é pouco
representativo, porque em cinco anos na área do depósito de rejeitos, seriam
gerados somente 22.000 m
3
em 5 anos, o que corresponderia a aproximadamente
12 m
3
dia de efluente. Mas destaca-se que o fluxo de oxigênio é baixo, não
sendo observada diferença significativa entre a condição vegetada e não
vegetada;
A simulação obtida com a Jazida Picollo diferiu significativamente dos dados
apresentados por UBALDO (2005), porque nesta tese foi utilizada uma nova
curva de retenção. A referida autora apresentou uma ressalva com relação à
curva de retenção da Jazida Picollo por ela utilizada. As simulações com a
Jazida Picollo demonstraram um elevado escoamento superficial associada a
uma elevada taxa de evaporação. Esse comportamento reduz significativamente
a taxa de infiltração que ocasionou fluxo negativo indicando a perda de umidade
da cobertura para a atmosfera. Com relação ao fluxo de água na interface solo-
resíduo, esse se mostrou pouco relevante. E com relação ao fluxo de oxigênio,
obteve-se um valor maior do que nas simulações com a Jazida Empresa com
barreira capilar e inferior à configuração utilizada no campo;
A condição de barreira capilar dupla com a Jazida Picollo e a Jazida Empresa
sem vegetação mostraram diferenças significativas de infiltração, saturação e
fluxo de oxigênio. Onde na simulação com a Jazida Picollo esta não se mostrou
saturada em nenhum instante avaliado;
Considerando as condições simuladas, a configuração 1 reduz em 85% e fluxo
de oxigênio, enquanto que a configuração 2 e 3 reduzem 99,7% e a configuração
4 reduz 83% com relação ao resíduo descoberto.
276
Com relação a eficiência da cobertura de 10
2
, o valor de coeficiente de difusão
na cobertura obtido foi da ordem de 1 x 10
-8
m
2
/s, o que corresponderia a
manutenção do grau de saturação da cobertura em 95% segundo o modelo
preditivo de NICHOLSON (1991) e 98% segundo o modelo de MILLINGTON
& QUIRK (1960). Este valor coincidiu com o ponto de entrada de ar deste
material indicando uma correlação entre os parâmetros.
Se a espessura de solo compactado com o material Jazida Empresa aumentasse
de 0,3 para 1,0 m a eficiência da cobertura passaria de 1x10
2
para 3x10
2
não
sendo este ganho significativo com relação ao acréscimo de custo.
277
9. CONCLUSÕES E SUGESTÕES
PARA PESQUISAS FUTURAS
9.1. Conclusões
Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões obtidas com o presente
trabalho. A pesquisa tratou de aspectos fundamentais da difusão do oxigênio no solo e
resíduos, investigando experimentalmente, em laboratório, a relação entre o coeficiente
de difusão desse gás e índices físicos. Foram empregados dois procedimentos
experimentais na determinação em laboratório do coeficiente de difusão, sendo
destacadas as vantagens e desvantagens desses procedimentos. Fatores intervenientes
foram avaliados, com destaque para o consumo de oxigênio que foi determinado
indiretamente a partir dos ensaios de difusão. Os valores de coeficiente de difusão de
oxigênio medidos experimentalmente foram comparados com os valores estimados
pelos modelos preditivos mais utilizados em projetos de cobertura de rejeitos piritosos.
Finalmente, contextualizando para a Bacia Carbonífera Sul Catarinense, onde foram
coletadas as amostras, foram aplicados os resultados do estudo em uma análise da
eficiência de diferentes configurações de cobertura de rejeitos piritosos de mineração de
carvão.
9.1.1. Quanto à relação do coeficiente de difusão com os índices físicos e
a sucção
Foram realizados 106 ensaios de difusão com concentração constante e massa finita no
reservatório fonte em quatro materiais distintos. Dos materiais analisados dois são
argilosos, Jazida Empresa (JE) e Jazida Picollo (JP), e dois são granulares, Cinza Grossa
(CG) e Rejeito Fino Peneirado (RFP). Os solos argilosos e a Cinza Grossa foram
analisados em conjunto, avaliando a influência da massa específica, porosidade, teor de
umidade (volumétrico e gravimétrico), conteúdo de ar e saturação sobre o coeficiente de
difusão do oxigênio através do meio. Como principais conclusões, destacam-se:
nos diferentes materiais avaliados, o coeficiente de difusão do oxigênio cresce
diretamente com o aumento do conteúdo de ar (
θ
a
);
um comportamento semelhante é observado entre o coeficiente de difusão e o
grau de saturação, como esperado, já que
θ
a
=n(1-S);
a porosidade total, o teor de umidade (volumétrico e gravimétrico) e a massa
específica não apresentam individualmente uma correlação direta com o
coeficiente de difusão;
APESAR DE NÃO APRESENTAR UMA CORRELAÇÃO INDIVIDUAL
,
A POROSIDADE TOTAL
MOSTRA UMA TENDÊNCIA A INFLUENCIAR O VALOR DO COEFICIENTE DE DIFUSÃO QUANDO
RELACIONADO AO GRAU DE SATURAÇÃO
(S)
E AO CONTEÚDO DE AR
(
θ
θθ
θ
A
).
O
BSERVOU
-
SE
EXPERIMENTALMENTE QUE QUANTO MENOR A POROSIDADE TOTAL
,
MAIOR É O VALOR DO
COEFICIENTE DE DIFUSÃO PARA UM MESMO GRAU DE SATURAÇÃO OU CONTEÚDO DE AR
.
P
OR EXEMPLO
,
PARA A
C
INZA
G
ROSSA COM
S=87,2%,
O COEFICIENTE DE DIFUSÃO DO
OXIGÊNIO É DE
2,17
X
10
-8
M
2
/
S PARA N
=0,48
E DE
1,45
X
10
-8
M
2
/
S PARA N
=0,53.
A
PEQUENA
278
MAGNITUDE DESTA VARIAÇÃO
,
EMBORA OCORRA SISTEMATICAMENTE
,
EXPLICA A
AUSÊNCIA DE CORRELAÇÃO SIGNIFICATIVA NA ANÁLISE DO CONJUNTO DOS RESULTADOS
;
os resultados experimentais confirmaram que os parâmetros físicos mais
relevantes para o processo de difusão de oxigênio, em meios porosos são o
conteúdo de ar e o grau de saturação e, secundariamente, a porosidade total, para
materiais de diferentes texturas, ensaiadas sob diferentes condições de
moldagem e submetidas a condição de fluxo distintas. Estes parâmetros são os
mesmos utilizados de modo geral nos modelos preditivos existentes na literatura;
no entanto, a pesquisa obteve um resultado até então inédito, de correlação entre
a inflexão da curva coeficiente de difusão
versus
grau de saturação (D x S) e o
ponto de inflexão da curva grau de saturação
versus
sucção mátrica, identificado
na literatura como valor de entrada de ar (AEV). Nos ensaios de difusão com
controle de sucção em três materiais distintos (JE, JP e CG), foi obtido o valor
médio do ponto de inflexão de 94
±
3% do grau de saturação para a curva D x S.
Este valor corresponderia ao grau de saturação a partir do qual a difusão de
oxigênio ocorreria predominante nos poros preenchidos por água. As curvas
grau de saturação x sucção mátrica dos mesmos materiais apresentam o ponto de
inflexão em um grau de saturação médio de 94
±
5%. Este ponto de inflexão
corresponde ao ponto de entrada de ar (AEV) acima do qual os poros
preenchidos por ar não estão conectados. Este resultado mostra que este ponto
de inflexão representa uma mudança no meio onde se dá o processo de difusão:
para graus de saturação inferiores ao ponto de inflexão, a difusão do gás ocorre
preferencialmente através do ar (D
0-ar
=1,8x10
-5
m
2
/s), enquanto acima do ponto
de inflexão a difusão ocorre preferencialmente através da água (D
0-w
=2,2x10
-9
m
2
/s);
de uma forma geral os materiais com até 85% de grau de saturação sofrem uma
variação do coeficiente de difusão de 1,5 ordem de grandeza (10
-5
a 10
-7
m
2
/s) e
com grau de saturação de 85% a 100% esta variação pode exceder 2,5 ordens de
grandeza atingindo valores inferiores ao coeficiente de difusão do oxigênio na
água;
cada acréscimo da ordem de grandeza do coeficiente de difusão significa o
aumento correspondente no fluxo do gás no solo e em sistemas de cobertura, que
no caso dos rejeitos piritosos, aumenta a geração de drenagem ácida e no aterro
sanitário causa uma diluição da concentração dos gases metano e carbônico no
interior da pilha de resíduos.
9.1.2. Quanto à representatividade dos modelos preditivos
Ao longo de várias décadas modelos empíricos têm sido desenvolvidos no intuito de
prever a difusão de gases no solo. É importante ressaltar que estes modelos são
utilizados em programas que permitem a previsão do fluxo de gás em sistema de
cobertura. Os valores obtidos experimentalmente para os diferentes materiais ensaiados
foram comparados com os valores determinados com os modelos preditivos de forma
separada e em conjunto e destaca-se:
de um modo geral os ajustes não lineares foram os que melhor representaram o
comportamento experimental da difusividade (D/D
0
) em relação ao conteúdo de
ar nos diferentes materiais ensaiados (JE, JP e CG), apresentando sempre maior
dispersão dos resultados para a Cinza Grossa;
279
com relação à previsão do coeficiente de difusão, nenhum dos modelos
estudados apresentou boa correlação com os dados obtidos experimentalmente
para toda gama de graus de saturação estudados. No trecho inicial da curva os
modelos de NICHOLSON (1991) e ELBERLING
et al.
(1994) fornecem o
melhor resultado S
≤
85%. Acima de 85% de grau de saturação os modelos de
MILLINGTON & QUIRK (1960 e 1961) e COLLIN & RASMUSON (1988)
passam a apresentar uma correlação melhor com os dados experimentais;
este comportamento do ajuste dos dados experimentais pelos modelos comprova
a necessidade de formulação de um modelo dual da relação D x S ou D x
θ
a
,
como concluído anteriormente em relação aos resultados experimentais.
9.1.3. Quanto aos procedimentos experimentais e fatores intervenientes
Com relação à influência das condições do ambiente (temperatura e umidade relativa do
ar) sobre a medida da concentração de oxigênio nos reservatórios da célula
experimental, foram realizados ensaios preliminares, concluindo-se que:
acréscimos na temperatura ambiente causam decréscimos na concentração do
oxigênio no interior da célula de difusão com um “time-lag” que não excedeu 30
minutos e com valores compatíveis ao relatado na literatura;
umidades relativas elevadas acarretam medidas de concentração menores em
função da parcela do volume do ar que passa a ser ocupado pela água conforme
relatado na literatura;
para reduzir a influência da umidade sobre o sensor optou-se por utilizar uma
membrana de sílica antes do sensor de forma a secar o ar. O sensor com esta
membrana se mostrou eficiente quando comparado com o sensor sem
membrana, contudo limitou o tempo de ensaio para 4 dias devido à saturação da
sílica neste período.
Com relação à moldagem do corpo de prova, a compactação estática diretamente na
célula de difusão apresentou bons resultados. Obteve-se boa repetibilidade do
coeficiente de difusão do oxigênio com o mesmo corpo de prova em dois ensaios
consecutivos com concentração variável na fonte, e nos corpos moldados em triplicata
ocorreu um desvio máximo de 2,5% no coeficiente de difusão com relação à média das
triplicatas.
Os ensaios de difusão foram realizados em célula de reservatório duplo em duas
condições de contorno distintas, concentração constante e massa finita, destacando as
seguintes conclusões:
o ensaio com massa finita é mais rápido e o corpo de prova não sofre variação de
umidade. Esta condição de ensaio é indicada quando se pretende obter o
coeficiente de difusão e indiretamente o consumo;
o ensaio com concentração constante permite a obtenção com maior facilidade
do coeficiente de difusão, contudo é mais lento e permite a perda de umidade
durante o ensaio. É mais indicado quando não se tem o interesse de determinar o
consumo;
conhecendo o coeficiente de difusão do ensaio com concentração constante na
fonte pode-se estimar o consumo no ensaio com massa finita com maior
precisão.
280
9.1.4. Quanto ao consumo nos ensaios de difusão
A respiração por parte dos microorganismos presentes no solo é o principal fator que
ocasiona o consumo de oxigênio, mas reações de oxidação dos minerais e/ou matéria
orgânica presentes na fração sólida do solo também consomem oxigênio e podem ser
catalisadas ou não por atividade microbiológica.
Com relação às técnicas de esterilização e inibição estudadas, quanto à manutenção do
material sem atividade microbiológica, durante e após o ensaio de difusão, destaca-se:
a autoclavagem esterilizou e mostrou persistência na esterilização com o tempo
nos materiais avaliados. A distribuição granulométrica se manteve para os solos
estudados depois da esterilização, mas ocorreu um ligeiro decréscimo no limite
de liquidez e plasticidade dos solos;
a azida sódica inibiu a atividade microbiológica, mas foi observada a ocorrência
dispersa de unidades formadoras de colônias em diversas diluições devido à
difícil aplicação desta substância ao solo. Trata-se de um composto orgânico
sólido com baixa solubilidade em água e altamente tóxico, sem cheiro, que causa
náusea e ataca o fígado e que deve ser manipulado em capela. Essa substância
remobilizou o ferro do solo, mas não alterou o limite de liquidez e plasticidade;
o formaldeído não apresentou mudança significativa na consistência ou
aparência dos solos testados, que se apresentaram estéreis imediatamente após a
aplicação desta substância devido à inibição da atividade microbiológica. Trata-
se de uma substância líquida que se dilui em água e é fácil de aplicar ao solo.
Sua manipulação necessita também do uso da capela, e seu cheiro persiste
mesmo depois de cessado o ensaio. O solo se manteve sem atividade
microbiológica com o tempo mesmo com um pequeno controle quanto à
contaminação do material, e por isso esta foi a substância escolhida para ser
utilizada nos ensaios de difusão esterilizados.
Vários autores citam que o consumo por parte dos microorganismos pode ser descrito
por uma equação de primeira ordem, tal como a oxidação da pirita. Uma análise
paramétrica do ensaio de difusão foi realizada a partir da utilização do programa
POLLUTE onde foram conferidas ao material taxa de consumo de primeira ordem em
um módulo específico. Como resultado da análise paramétrica constatou-se que:
taxas de consumo de 10
-7
s
-1
são visíveis em tempos de ensaios de 30 dias, já
para ensaios de no máximo 4 dias só são detectadas taxas de consumo superiores
a 10
-6
s
-1
na configuração experimental utilizada;
a retroanálise das simulações permite observar que a partir do ajuste exponencial
da curva concentração
versus
tempo pode-se determinar a taxa de reação e o
tempo de meia vida correspondente, que são dados de entrada do programa;
o ajuste progressivo das simulações por retroanálise mostrou a necessidade de
introduzir fatores de correção. O primeiro fator de correção relaciona de forma
direta a inclinação da curva concentração
versus
tempo após cessada a difusão
com a razão entre a altura do reservatório e a espessura do corpo de prova. Já o
segundo fator depende do grau de saturação do material na condição simulada:
se S
≥
0,7 a constante é 1,05 e para S < 0,7 a constante passa ter um valor de
1,12, independente do material.
281
Os ensaios de difusão foram analisados com relação ao consumo a partir das curvas de
decréscimo da concentração no reservatório com o tempo, sendo determinado o tempo
de meia vida e a taxa de consumo utilizando o programa POLLUTE com os fatores de
correção propostos na etapa de análise paramétrica. Com relação ao consumo de
oxigênio pelos materiais ensaiados, conclui-se que:
a taxa de consumo e tempo de meia vida total obtidos para os sensores sem sílica
foi da ordem de K = 0,0059 h
-1
e t
1/2
=117,5 h. Isso ocorreu porque a umidade
provocou o decréscimo na concentração do oxigênio que incorretamente poderia
ser atribuída ao consumo, mas este fator foi anulado quando utilizada a
membrana de sílica;
o uso da membrana limita o tempo de ensaio em quatro dias o que permite a
determinação de taxas de consumo da ordem de 10
-6
s
-1
ou superiores;
o valor de tempo de meia vida efetivo para a Jazida Empresa foi
aproximadamente de 100 horas, próximo do medido para o sensor devido à
influência da umidade. Enquanto que para a Cinza Grossa está em torno de 60
horas e de 13 horas para a Jazida Picollo. Este comportamento está de acordo
com a contagem microbiológica dos materiais após a secagem, que mostrou um
número maior de unidades formadoras de colônia para a Jazida Picollo, seguido
respectivamente pela Cinza Grossa e Jazida Empresa. Com relação ao Rejeito
Fino Peneirado foi obtido um tempo de meia vida efetivo de aproximadamente
10 horas, tanto na análise experimentalmente após cessada a difusão como a
partir da análise teórica de reações abióticas de oxidação da pirita;
nas condições normal e esterilizada os coeficientes de difusão total obtidos
foram iguais, e esse comportamento está de acordo com o esperado porque a
atividade microbiológica não afeta o coeficiente de difusão e sim a concentração
no sistema com o tempo.
9.1.5. Quanto à eficiência da cobertura
O planejamento da pesquisa se baseou na situação prática da aplicação de um sistema de
cobertura para controle da geração de drenagem ácida em pilhas de rejeitos piritosos de
carvão de Santa Catarina. Para este estudo foi utilizado o programa SOILCOVER,
utilizando como dados de entrada do clima informações diárias fornecidas pela Estação
Experimental de Urussanga (EPAGRI) para os anos de 2000-2004, bem como as
informações obtidas a partir da caracterização dos materiais.
Como principais conclusões com relação à análise no programa SOILCOVER
destacam-se:
no estudo usando as equações para previsão do fluxo (NICHOLSON, 1991 e
COLLIN & RASMUSON, 1988) de gás presentes no programa SOILCOVER,
obteve-se o maior fluxo de oxigênio associado ao modelo de NICHOLSON
(1991). Isso ocorre porque este modelo superestima o coeficiente de difusão para
o mesmo grau de saturação quando comparado como modelo de COLLIN &
RASMUSON (1988);
no caso do rejeito descoberto, considerando a área do depósito de rejeitos,
seriam gerados aproximadamente 24,5x10
5
m
3
de efluente, ou aproximadamente
1342 m
3
/dia. Com relação ao fluxo de oxigênio para dentro da pilha na condição
mais desfavorável foi obtido o valor de 201 g/m
2
ao ano a 0,5 m de
profundidade. Esse gás oxidaria 72 toneladas de pirita ao ano segundo a reação
282
estequiométrica de oxidação da pirita, o que corresponde a 0,35% da pirita que é
disposta no depósito de rejeito anualmente;
a cobertura com barreira capilar dupla composta pela Cinza Grossa, Jazida
Empresa e Rejeito Fino Peneirado com ou sem vegetação, forneceu os melhores
resultados quanto ao fluxo de água e oxigênio. No caso da simulação com a
vegetação, esta não apresenta escoamento superficial, maximizando a infiltração
e reduzindo a evaporação. Isto gera um fluxo maior de água na interface
cobertura-rejeito do que na condição sem vegetação. Mas este fluxo é pouco
representativo, porque em cinco anos na área do depósito de rejeitos, seriam
gerados somente 22.000 m
3
ou 12 m
3
/dia de efluente, ou seja, aproximadamente
0,2% do volume gerado sem cobertura. Com relação ao fluxo de oxigênio esse é
baixo, não sendo observada diferença significativa entre a condição vegetada e
não vegetada. Ocorre uma redução de 99,7% do fluxo de oxigênio com esta
configuração de cobertura quando se compara com a condição do resíduo
descoberto.
A eficiência da cobertura baseia-se na consideração de que o gás que oxida o rejeito
deve migrar antes pela cobertura, e quanto mais a cobertura barrar a entrada de gás no
sistema mais eficiente ela é. Avaliando a eficiência em uma cobertura de 0,3 m de
espessura com o solo Jazida Empresa compactado conclui-se que:
para uma eficiência de cobertura de 100, o valor de coeficiente de difusão na
cobertura deve ser 1 x 10
-8
m
2
/s, o que corresponderia à manutenção do grau de
saturação da cobertura em 95% segundo o modelo preditivo de NICHOLSON
(1991) e 98% segundo o modelo de MILLINGTON & QUIRK (1960). Este
valor coincidiu com o valor de entrada de ar do solo Jazida Empresa indicando
uma possível correlação entre os parâmetros.
Se fosse aumentada a espessura de 0,3 para 1,0 m a eficiência da cobertura
aumentaria aproximadamente três vezes, ou seja, proporcional ao aumento da
espessura do solo, não se obtendo um ganho significativo de eficiência no
sistema. Isso leva a concluir que 0,30m seria a espessura ideal deste material do
ponto de vista prático.
Em sistemas de cobertura o fluxo é predominantemente difusivo, assim a melhor forma
de avaliar o fluxo é a partir do conhecimento da curva de coeficiente de difusão
versus
grau de saturação como proposto nesta pesquisa. Comparando o fluxo obtido a partir
dos ensaios de laboratório e os valores de fluxo medidos no aterro de Muribeca por
MACIEL (2003) conclui-se:
o fluxo de massa para o oxigênio em laboratório para o solo da Jazida Empresa
está compatível com o determinado por MACIEL (2003) no aterro de Muribeca
para o gás carbônico e metano na condição de saturação do solo local de 61%;
este resultado mostra que gases diferentes não apresentam diferenças
significativas no fluxo difusivo para um mesmo grau de saturação, mesmo em
materiais diferentes;
considerando o coeficiente de difusão para grau de saturação de 93%
determinado também para o solo Jazida Empresa, obtém-se uma diminuição de
mais de três ordens de grandeza no fluxo quando se compara com o valor obtido
para o grau de saturação de 46%.
283
9.2. Sugestões para pesquisas futuras
São apresentadas as seguintes sugestões para trabalhos futuros:
Avançar nas pesquisas com ensaios com controle de sucção a fim de obter uma
relação entre o grau de saturação, coeficiente de difusão e sucção, incluindo a
influência do valor de entrada de ar conforme apontado nessa pesquisa;
Análise dos ensaios segundo a Teoria de Stefan-Maxwell por que no sistema
analisado, além do fluxo por difusão do oxigênio, estão ocorrendo também fluxo
por difusão do nitrogênio e vapor de água ;
Teste em unidade piloto, com as configurações de cobertura simuladas, com o
objetivo de determinar qual a que apresenta o melhor resultado quanto ao
comportamento hídrico, de fluxo de oxigênio e consumo quando sujeita às
condições de campo;
Avançar a pesquisa com relação à difusão de gases em aterros de resíduos
sólidos urbanos.
284
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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299
ANEXO I
COEFICIENTE DE DIFUSÃO
300
A Figura I.1 mostra de forma esquemática um modelo de difusão que relaciona o
comprimento do sólido e o caminho tortuoso do solo (TROEH
et al
., 1982)
A – seção transversal do sólido
L – comprimento do sólido
Av– área do poro
Lv – caminho tortuoso do poro
Figura I.1 – Modelo da difusão que relaciona o comprimento do sólido e o caminho tortuoso no
solo.
Com base na figura apresentada anteriormente, a 1ª. Lei de Fick pode ser escrita
considerando o canal tortuoso da seguinte forma:
Lv
C
AvDQ
∆
−=
0
(Eq. I.1)
Considerando o bloco inteiro para que a difusão ocorra, a 1ª. Lei de Fick pode ser
escrita como:
L
C
DAQ
∆
−=
(Eq. I.2)
Supondo que a massa mobilizada é igual nas duas equações:
Lv
C
AvD
L
C
DA
∆
−=
∆
−
0
(Eq. I.3)
Lv
L
A
Av
D
D
=
0
(Eq. I.4)
Admitindo que o conteúdo de ar é igual a Vv/V, onde Vv é o volume de vazios do
caminho tortuoso e é dado por Vv=AvLv, e V é o volume do bloco é dado por V=AL.
Admite-se então que:
L
Lv
A
Av
V
Vv
n ==
(Eq. I.5)
Reescrevendo a Equação I.5 em função de Av/A, obtém-se:
A
Av
Lv
L
301
Lv
L
n
A
Av
=
(Eq. I.6)
Finalmente, inserindo o valor Av/A na Equação I.4 obtêm-se:
2
0
=
Lv
L
n
D
D
(Eq. I.7)
O coeficiente de tortuosidade obtido pode ser dado pela relação
τ
= (L/Lv)
2
. O caminho
tortuoso, Lv, não pode ser medido de forma direta, mas pode ser calculado. A equação
I.7 pode ser reescrita da seguinte forma:
0
DnD
τ
=
(Eq. I.8)
Onde: D – coeficiente de difusão;
D
0
– coeficiente de difusão da substância em uma solução livre;
n – porosidade total
τ
- coeficiente de tortuosidade.
Segundo SHAKELFORD (1991), CABRAL
et al.
(2000), ROWE
et al
(1994), entre
outros definem D
*
como o coeficiente de difusão efetivo que é escrito conforme
apresentado na equação I.9.
D* = D
0
τ
(Eq. I.9)
Contudo, SHACKELFORD
et al.
(1991) afirmam que o coeficiente de difusão efetivo
pode também incluir a porosidade sendo reescrito como D* = D
0
τ
n.
Surge neste ponto, uma falta de padronização na nomenclatura existente, com relação à
definição do coeficiente de difusão efetivo, ora denominado de D ora de D*.
Autores como TROEH
et al.
(1982), NICHOLSON
et al.
(1994), MBONIMPA
et al.
(2003) entre outros definem D como sendo o coeficiente de difusão efetivo e D
*
como
coeficiente de difusão total, conforme apresentado pelas equações:
D = D
0
τ
n (Eq. I.10)
D* = D
0
τ
(Eq. I.11)
Onde o coeficiente de difusão efetivo pode ser obtido pela relação entre o coeficiente de
difusão total e a porosidade, conforme apresentado a seguir:
D = D
*
n (Eq. I.12)
Nesta tese optou-se por utilizar a nomenclatura de TROEH
et al.
(1982), NICHOLSON
et al.
(1994), MBONIMPA
et al.
(2003) entre outros.
302
ANEXO II
CADERNETA DE CAMPO
303
PRIMEIRO DIA – 25/08/2003
Tempo bom com vento à tarde
Pessoas presentes: Sérgio, Vicente, Rose, Ângelo e dois auxiliares da empresa
Localização – GPS Ponto Descrição
CETEM
2
Empresa
3
1 = A Depósito de turfa da empresa localizado sobre o depósito
de rejeitos coleta amostra deformada (3 sacos aprox. 60Kg)
Fotografia
Pt. GPS 4
N 6.813.649
E 652.669
2 = B Depósito da empresa localizado sobre o depósito de
rejeitos. Coleta de amostra deformada (5 sacos aprox. 120
Kg)
Fotografia
Pt. GPS 5
N 6.813.998
E 653.007
N 6.814.040
E 653.045
3 = C Construção do anel externo módulo A
Coleta de amostra indeformada (cilindro 1 e 5) e saco para
a determinação de umidade. Este anel externo está sendo
construído com o mesmo material do ponto 2 (jazida
empresa) no limite de liquidez ou acima. O material é
retirado da caçamba do caminhão com auxílio de pá
carregadeira e é prensado com a máquina. Este material
seca rapidamente apresentando rachaduras o que torna o
material permeável.
Fotografia
Pt. GPS 6
N 6.813.724
E 653.122
4 = D Ensaio de infiltração utilizando dois conjuntos de anéis
concêntricos (ensaio I e II) em anel externo já concluído
próximo ao depósito de pólvora. O solo apresenta
rachaduras
Para a execução do ensaio foi retirado o material de
cobertura da jazida Picollo e cravado o anel em dois locais
diferentes. No local 4
I
observou-se que o solo estava quente
e exalando enxofre
Fotografia
Pt. GPS 7
N 6.813.632
E 653.043
N 6.813.675
E 653.068
5 = E Depósito da jazida Picollo localizado sobre o depósito de
rejeitos. Coleta de amostra deformada (5 sacos aprox. 120
Kg)
Fotografia
Pt. GPS 9
N 6.813.881
E 652.222
N 6.813.896
E 652.304
2
GPS Garmin etrex Coordenadas em UTM e datum de referência WGS 84
3
GPS Garmin G12 Coordenadas em UTM e datum de referência desconhecido provavelmente SAD 69
porque o mapa base da empresa é IBGE folha Siderópolis
304
SEGUNDO DIA – 26/08/2003
Tempo bom com vento à tarde
Pessoas presentes: Sérgio, Vicente, Rose, Ângelo e dois auxiliares da empresa
Localização – GPS Ponto Descrição
CETEM
4
Empresa
5
6 = F Ensaio de infiltração utilizando dois conjuntos de anéis
concêntricos (ensaio III e IV) no depósito de rejeitos
(depósito de produto). Foi realizado ensaio no resíduo
fino que capeia o resíduo grosso.
Para a execução do ensaio foi cravado o anel em dois
locais diferentes. O material era extremamente
impermeável (como observado em vários pontos), ficando
o anel cravado de um dia para outro. Fotografia
Pt. GPS 10
N 6.843.652
E 652.677
N 6.813.700
E 652.705
7 = G Ensaio de densidade no rejeito (escavação manual o que
despendeu tempo) – Cava 1
Coleta de amostra indeformada para determinação de
umidade e curva granulométrica (depósito de rejeito 2)
Área estimada da cava 1 x 1 m, volume escavado medido
com auxilio da água foi de 380 litros e peso de material
retirado 630 Kg
A cava mostrava no topo finos preenchendo o resíduo
grosso por aproximadamente 5 cm os 45 cm restantes da
cava se mostrava com resíduo grosso não compactado.
Observou-se após o ensaio de densidade que o material se
mostrava extremamente permeável. Com auxílio de um
caminhão pipa com vazão máxima de 200 litros por
minuto estabeleceu-se um nível de água de 5 cm dentro da
cava por 10 minutos. Foi muito difícil obter este valor
porque a vazão necessária era extremamente alta o que
provocava um fluxo turbulento dentro da cava o que leva
a estimar uma vazão muito alta.
8 = I
Ensaio de densidade no rejeito – Cava 2
Coleta de amostra indeformada para determinação de
umidade e curva granulométrica (depósito de rejeito 1)
Área estimada da cava 1 x 1 m, volume escavado medido
com auxilio da água foi de 465 litros e peso de material
retirado 870 Kg
A cava se mostrava heterogênea no topo apresentava finos
até 15 cm depois apresentava resíduo grosso sem finos de
15 –35 cm e de 35-50 cm grossos com finos (fundo da
cava)
Com o auxílio de um pipa alimentou-se a cava com 200
litros por minuto e observou-se a enchida da cava. Depois
observou-se a descarga da cava
Fotografia
Pt. GPS 11
N 6.813.634
E 652.825
N 6.813.676
E 652.870
9 = J Retorno ao ponto 4 e coleta de 4 anéis pequenos de
amostra indeformada e saco para umidade
Pt. GPS 7
N 6.813.632
E 653.043
N 6.813.675
E 653.068
4
GPS Garmin etrex Coordenadas em UTM e datum de referência WGS 84
5
GPS Garmin G12 Coordenadas em UTM e datum de referência desconhecido provavelmente SAD 69
porque o mapa base da empresa é IBGE folha Siderópolis
305
TERCEIRO DIA – 27/08/2003
Tempo bom com vento à tarde
Pessoas presentes: Sérgio, Vicente, Rose, Ângelo e dois auxiliares da empresa
Localização – GPS Ponto Descrição
CETEM
6
Empresa
7
10 = L Ensaio de infiltração no ponto 4 jazida Picollo com um
único anel porque a infiltração era rápida o que impedia a
realização de ensaio simultâneo (V)
Ensaio com frasco de areia no mesmo local da jazida
Picollo (A e B) e da empresa (A e B)
Ensaios realizados pelo Sergio enquanto coletava as
amostras no depósito
Pt. GPS 4
N 6.813.649
E 652.669
11 Coleta de 29 amostras de rejeito no depósito de rejeitos
(Ângelo, Rose e auxiliar com escavação manual, cada
amostra demorava aproximadamente 30 minutos)
Pontos 1 e 2 das cavas para densidade Pt. GPS 10
N 6.843.652
E 652.677
Pt. GPS 11
N 6.813.634
E 652.825
N 6.813.700
E 652.705
N 6.813.676
E 652.870
3 – segundo patamar próximo ao ponto 4 Pt. GPS 12
N 6.813.653
E 653.083
N 6.813.695
E 653.130
4 – primeiro patamar próximo ao depósito de explosivo Pt. GPS 13
N 6.813.673
E 653.089
N 6.813.699
E 653.170
5 – meio do primeiro patamar Pt. GPS 14
N 6.813.613
E 653.065
N 6.813.656
E 653.120
6 – primeiro patamar parte antiga da empresa (combustão
espontânea) na direção do ponto 1
Pt. GPS 15
N 6.813.607
E 652.869
N 6.813.646
E 652.920
7 – primeiro patamar Pt. GPS 16
N 6.813.602
E 652.701
N 6.813.640
E 652.750
8 – primeiro patamar próximo ao antigo depósito de finos Pt. GPS 17
N 6.813.711
E 652.528
N 6.813.808
E 652.576
9 – primeiro patamar próximo a estrada de saída do
depósito
Pt. GPS 18
N 6.814.104
E 652.320
N 6.814.144
E 652.366
10 – primeiro patamar em frente as lagoas de decantação
1 e 2
Pt. GPS 19
N 6.814.129
E 652.539
N 6.814.170
E 652.580
11 – primeiro patamar em frente as lagoas de decantação
3 e 4
Pt. GPS 20
N 6.814.144
E 652.824
N 6.814.180
E 652.870
12 – primeiro patamar próximo ao poço de
monitoramento (sulfato ferroso – segundo poste)
Pt. GPS 21
N 6.813.999
E 653.108
N 6.814.039
E 653.151
13 – ponto em frente ao poço de monitoramento no
segundo patamar
Pt. GPS 22
N 6.813.928
N 6.813.965
6
GPS Garmin etrex Coordenadas em UTM e datum de referência WGS 84
7
GPS Garmin G12 Coordenadas em UTM e datum de referência desconhecido provavelmente SAD 69
porque o mapa base da empresa é IBGE folha Siderópolis
306
E 653.083 E 653.130
14 – vértice do segundo patamar em construção Pt. GPS 23
N 6.814.032
E 653.052
N 6.814.080
E 653.095
QUARTO DIA – 28/08/2004
Tempo bom com vento a tarde
Pessoas presentes: Sérgio, Vicente, Rose, Ângelo e dois auxiliares da empresa
Localização – GPS Ponto Descrição
CETEM
8
Empresa
9
L Ensaio de infiltração no antigo depósito de rejeito (VI e
VII)
Ensaio de frasco de areia (duplicata)
Pt. GPS 25
N 6.814.488
E 6512.419
N 6.814.520
E 651.530
11 Continuação da coleta de 29 amostras de rejeito no
depósito de rejeitos
15 – vértice do segundo patamar próximo a estrada que
dá acesso ao depósito
Pt. GPS 25
N 6.814.097
E 652.419
N 6.814.140
E 652.460
16 – segundo patamar em frente a terceira lagoa de
decantação
Pt. GPS 26
N 6.814.114
E 652.709
N 6.814.155
E 652.755
17 – terceiro patamar no meio do depósito Pt. GPS 27
N 6.813.954
E 652. 697
N 6.814.000
E 652.750
18 – estoque de finos Pt. GPS 28
N 6.813.782
E 652.641
N 6.813.825
E 652.680
19 – próximo a estrada de saída do depósito Pt. GPS 30
N 6.813.912
E 652.245
N 6.813.950
E 652.510
20 – próximo a estrada de saída do depósito Pt. GPS 31
N 6.813.971
E 652.562
N 6.814.010
E 652.600
21 - próximo a estrada de saída do depósito Pt. GPS 32
N 6.814.050
E 652.427
N 6.814.080
E 652.460
22 – depósito de finos Pt. GPS 33
N 6.814.144
E 652.824
N 6.814.180
E 652.870
23 – terceiro patamar em construção Pt. GPS 34
N 6.813.859
E 652.824
N 6.813.900
E 652.900
24 – terceiro patamar em construção Pt. GPS 35
N 6.813.999
E 653.108
N 6.814.039
E 653.151
25 – terceiro patamar em construção Pt. GPS 36
N 6.813.764
E 652.960
N 6.813.800
E 653.000
26 – terceiro patamar em construção Pt. GPS 37
N 6.813.855
E 653.034
N 6.813.900
E 653.080
27 – segundo patamar depósito Jazida Pt. GPS 38
8
GPS Garmin etrex Coordenadas em UTM e datum de referência WGS 84
9
GPS Garmin G12 Coordenadas em UTM e datum de referência desconhecido provavelmente SAD 69
porque o mapa base da empresa é IBGE folha Siderópolis
307
N 6.813.951
E 652.960
N 6.814.000
E 653.000
28 – finos rebeneficiamento Reginaldo Pt. GPS 41
N 6.814.048
E 652.854
N 6.814.990
E 652.900
29 – finos rebeneficiamento Reginaldo Pt. GPS 40
N 6.814.112
E 652.259
N 6.814.000
E 653.000
308
ANEXO III
MAPA COM A LOCALIZAÇÃO
DAS AMOSTRAS COLETADAS E
DOS ENSAIOS DE CAMPO
309
A
T
A
T
A
T
A
T
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X X
X
X
X
X
X X X X X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
(DESATIVADA)
(DESATIVADA)
DE VENTILAÇÃO
POÇ O Nº 2
EXAUSTOR
DO FLOTADO
DO PÁTIO
DRENAGEM
DECANTADORA DA
(ROM)
PLANO
SUBESTAÇÃO
BRITAGEM
PILHA CPL
CASA D E COMANDO
ESCRITÓRIO
PORTARIA
MÓDULO − A
REJEITOS SÓLIDOS
G
A
L
P
Ã
O
VERTEDOURO
V
A
L
A
D
E
D
R
E
N
A
G
E
M
P
E
R
I
F
É
R
I
C
A
PONTO n. 03
T
U
B
O
1
4
"
E
F
L
U
E
N
T
E
D
O
LAVADOR
SO BREN ADANTE
V
A
L
A
D
E
D
R
E
N
A
G
E
M
P
E
R
I
F
É
R
I
C
A
BACIA DE TRATAMENTO
BIOLÓGICO
ETD5
ETD4
C
A
S
A
D
E
B
O
M
B
E
A
M
E
N
T
O
PORTÃO
DRENO DE 14"
PARA ESCOAMENTO DAS ÁGUAS
DE PERCOLAÇÃO DO MÓDULO − "B"
ÁREA PARA
INCLINADO
DEPOSIÇÃO DE
P−01
P−02
P−03
P−04
P−05
P−06
P−07
P−08
P−09
P−10
P−11
P−12
P−13
P−14
P−15
P−16
P−17
P−18
P−19
P−20
P−21
P−22
P−23
P−24
P−25
P−26
P−27
P−28
P−29
P−F
P−B
P−D
P−E
P−G
P
−
I
HORTA
P−A
P−C
P−
H
ARARANGUÁ
<
−
P
\
P
O
R
T
O
A
L
E
G
R
E
MARACAJÁ
VERDINHO
SÃO ROQUE
FORQ UILINHA
SANGÃO IÇARA
B
R
1
0
1
P
/
F
L
O
R
I
A
N
Ó
P
O
L
I
S
−
>
CRICIÚMA
NA VA VENEZA
MÃ E LUZIA
O
C
E
A
N
O
A
T
L
Â
N
T
I
C
O
R
I
O
M
Ã
E
L
U
Z
I
A
R
I
O
S
A
N
G
Ã
O
X X
ES CA LA 1 / 500.000
LO CALIZAÇÃO GEOGRÁFICA DE ÁREA
00°47 ’05"
12°34’
CRESCE 9° ANUALMENTE
A DECLINAÇÃO MAGNÉTICA
DO CENTRO DA FOLHA
E CONVERGÊNCI A MERIDIANA
DECLINAÇÃO MAGNÉTICA 1976
28°30’
29°00’
49°00’49 ° 15’
49°30’
28°30’
28°45’
29°00’
49°00’49°15’
49°30’
RINCÃO
SH−22−X−B−IV−4
ARARANGUÁ
SH−22−X −B−IV−3
JAGUARUNA
SH−22−X−B−IV−2
CRICIÚMA
SH−22−X −B−IV−1
FOL HA −ÚNICA
REVIS ÃO Nº__
GAVE TA Nº
ENGº AGRI MENS OR CRE A Nº 050.897−4/S.C.
ARILTON MIRANDA
RUI MILANEZ
GE ÓL OGO C RE A Nº 20.367−5/S.C.
CARLOS HENRIQUE SCHENEIDER
DEZEMBRO/03
DEZEMBRO/03
DEZEMBRO/03
TOPÓG RAFO
DESENHISTA
RESPO NSÁVEL
DESENHO Nº
ASSI NATURA
NOMEDATA
COORDENADAS UTM IBGE
LEVANTAME NTO PLANIMÉTRICO
1 : 10.000
BASE TOPOGRÁFICAESCALA
MINEIRA II
UNIDADE
FUNÇÃO
310
ANEXO IV
DIFRAÇÕES DE RAIOS-X
311
Figura IV.1
– Difrações de Raios-X amostra total, fração silte e argila para a amostra
Antigo Depósito realizadas na Universidade Federal de Viçosa.
Figura IV.2
– Difrações de Raios-X amostra total, fração silte e argila para a amostra
Jazida Empresa realizadas na Universidade Federal de Viçosa.
Antigo Depósito
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
2-Theta-Scale
c
p
s
Total
Silte
Argila
Mt
Mt
Ct
Ct
Qz
Qz
Qz
Jazida Empresa
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
2-Theta-Scale
c
p
s
Total
Silte
Argila
Mt
Qz
Ct Ct Qz
Qz
Ct
312
Figura IV.3
– Difrações de Raios-X amostra total, fração silte e argila para a amostra
Jazida Picollo realizadas na Universidade Federal de Viçosa.
Figura IV.4
– Difrações de Raios-X amostra total, fração silte e argila para a amostra
Turfa realizadas na Universidade Federal de Viçosa.
Jazida Picollo
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
2-Theta-Scale
c
p
s
Total
Silte
Argila
Mt
Ct Ct
Qz
Mt
Qz
Qz
Turfa
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
2-Theta-Scale
c
p
s
Total
Silte
Argila
Qz
Qz
Qz
313
Figura IV.5
– Difrações de Raios-X da Areia na amostra total realizada na
Universidade Federal de Viçosa.
Figura IV.6
– Difrações de Raios-X da Cinza Grossa na amostra total realizada no
Centro de Tecnologia Mineral.
Areia
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
50,000
2-Theta-Scale
c
p
s
Qz
Qz
Qz
314
Figura IV.7
– Difrações de Raios-X do Rejeito Fino Decantado na amostra total
realizada no Centro de Tecnologia Mineral.
Figura IV.8
– Difrações de Raios-X do Rejeito Fino Decantado na amostra total
realizada no Centro de Tecnologia Mineral.
315
Figura IV.9
– Difrações de Raios-X do Rejeito Grosso na amostra total realizada no
Centro de Tecnologa Mineral.
316
ANEXO V
MANUAIS
317
V.1 - MANUAL DO PROGRAMA PADER
V.1.1. INTRODUÇÃO
O Programa de aquisição de dados PADER foi desenvolvido no Laboratório de
Geotecnia da COPPE/UFRJ, pelo funcionário Ricardo Gil e pela autora desta tese. Este
programa tem por objetivo visualizar, temporizar e armazenar as informações do
módulo de aquisição de dados.
V.1.2. UTILIZANDO O PROGRAMA PADER
V.1.2.1. ABRINDO O PROGRAMA
Clicar duas vezes em PADER no desktop o que fará surgir a tela apresentada na Figura
V.1. Clicar uma vez em ENSAIO para dar entrada em um novo ensaio o que faz surgir a
tela apresentada na Figura V.1.
Figura V.1
– Tela inicial do programa PADER.
V.1.2.2. INICIANDO A ENTRADA DE DADOS DE UM ENSAIO
Na segunda tela do programa PADER (Figura V.2) preencher o campo Dados Do
ensaio:
o
Nome do arquivo (no máximo 8 caracteres)
o
Projeto
o
Operador
o
Observação
o
Data
o
Ensaio
o
Interessado
318
Figura V.2 –
Segunda tela do programa PADER onde é feita a entrada dos dados
referentes ao ensaio e as constantes dos transdutores e sensores utilizados.
Após o preenchimento deste campo e caso não se deseje alterar as constantes dos
transdutores e sensores utilizados, clicar em CONTINUAR surgirá a tela apresentada na
Figura V.3. Algumas das informações fornecidas na segunda tela são transcritas para o
campo dados do ensaio.
Figura V.3 –
Terceira tela do programa PADER onde é iniciado o programa e é
observado o seu andamento.
V.1.2.3. ALTERANDO AS CONSTANTES DE CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
E TRANDUTORES
Clicar em
ACESSO K para alterar as constantes de calibração. Atualmente o módulo de
aquisição de dados apresenta capacidade de transmissão simultânea de 8 canais
319
distintos. O programa PADER permite a visualização e armazenamento no computador
das informações enviadas pelo módulo de aquisição de dados. Os canais utilizados e
seus respectivos equipamentos encontram-se apresentados na Tabela V.1:
Tabela V.1 –
Canais e equipamentos ligados ao sistema de aquisição de dados.
Canal Equipamento
0 Transdutor de pressão (0 – 16 kPa)
1 Transdutor de pressão (0-16 kPa)
2 Transdutor de pressão (0 – 16 kPa)
3 Sensor O
2
(0-100% O
2
)
4 Sensor O
2
(0-100% O
2
)
5 Sensor O
2
(0-100% O
2
)
6 Sensor O
2
(0-100% O
2
)
7 Termopar (0 - 100
0
C)
Após alterada as constantes, pode-se prosseguir com um novo ensaio conforme
apresentado no item 2.2, ou iniciar o fechamento do programa clicando a tecla
RETORNAR. Maiores detalhes para sair do programa observar a seqüência de ações
apresentada no item 2.8.
V.1.2.4. INICIANDO O ARMAZENDAMENTO DOS DADOS
Na Figura V.3 é possível individualizar vários campos: dados do ensaio (gerados a
partir dos dados fornecidos na segunda tela), controles, temporização, eixo, dados atuais
e dados. Além dos botões dados e gráfico e tempo decorrido (HH MM SS). Para iniciar
o armazenamento de informações é necessário mexer no campo controle.
Para ativar a comunicação entre o módulo de aquisição de dados e o programa é
necessário clicar no campo controle a tecla LEITURA TESTE (letras em azul). Ao
ativar a leitura teste, o campo da cor azul com os dados atuais (mvolts) fica ativo
conforme apresentado na Figura V.4 e o botão leitura teste também é ativado, mas não
ocorre ainda o armazenamento dos dados. O botão LEITURA TESTE pode ser ativado
quantas vezes forem necessárias
Para saber o valor correspondente de cada canal (KPa, %O
2
e
0
C) ativa-se, então, o
botão LEITURA ZERO (letra roxa) que permite a visualizar os dados atuais (campo
roxo) conforme apresentado na Figura V.5. A cada mudança da leitura teste deve-se
clicar na LEITURA ZERO para atualizar esta leitura.
3
20
Figura V.4 –
Visualização da terceira tela após a ativaçãoda leitura teste.
Figura V.5 –
Visualização da terceira tela após a ativação da leitura zero.
Após a ativação da leitura zero ativa-se o botão INICIAR. Ao clicar neste botão o
ensaio inicia e começa a contar o tempo.
V.1.2.5. CONTROLE DO PROGRAMA
Os botões de controle do programa são:
•
LEITURA TESTE – permite a comunicação com o módulo de aquisição de
dados e ativa o campo dados atuais (mvolts);
•
LEITURA ZERO – calcula, a partir das constantes de calibração, os valores
atuais dos transdutores de pressão, sensores de oxigênio e termopar;
•
INICIAR – após a ativação dos dados atuais é utilizado para iniciar o programa;
•
PARAR – interrompe a aquisição de dados;
321
•
CONTINUAR – permite a continuação da aquisição de dados a partir do instante
interrompido;
•
SAIR – permite a saída desta tela para a segunda tela.
V.1.2.6. TEMPORIZAÇÃO
É campo responsável pela duração do ensaio e intervalo de tempo entre as leituras. A
temporização apresenta os seguintes campos:
•
Tempo total (h) – corresponde ao tempo em que o programa vai ficar adquirindo
dados, ou seja, ao atingir o tempo do intervalo de leitura o sistema de aquisição de
dados para de adquirir as informações.
•
Período inicial – instante em que o programa vai iniciar a adquirir os dados em
função do intervalo de tempo estipulado, ou seja, um minuto após o estabelecimento
do intervalo de P.I e intervalo de P.F o programa vai passar a utilizar estes
parâmetros. Como sugestão utilizar 1 minuto;
•
Intervalo P.I – intervalo do período em que o programa vai adquirir o dado ensaio.
•
Intervalo de PF – intervalo de tempo em que o programa vai parar de adquirir e vai
iniciar uma nova aquisição.
A Tabela V.2 apresenta sugestões de intervalos de P.I e P.F. em função do tempo de
duração estimado dos ensaios:
Tabela V.2 –
Sugestão de P.I. e P.F. em função do tempo estimado de ensaio.
Tempo estimado (h) Intevalo de P.I. (s) Intervalo de P.F. (s)
6 1 1
24 6 6
Acima de 24 60 60
V.1.2.7. ACOMPANHAMENTO DO ENSAIO
É possível acompanhar o gráfico dos transdutores de pressão
versus
o tempo e os dados
de todos os canais ao clicar o botão Dados conforme apresentado na Figura V.5. Mas ao
clicar o botão Gráfico de O
2
, os dados ficam ocultos e aparece na tela o gráfico de
percentual de oxigênio com o tempo conforme apresentado na Figura V.6.
Para alterar os valores dos eixos utiliza-se o campo Eixo. Para tanto escolhe-se primeiro
o gráfico que se deseja alterar (Gráfico de pressão ou Gráfico de Oxigênio) e depois
procede-se a alteração dos campos Xmín, Xmáx, Ymin e Ymáx conforme a necessidade
e no decorrer do ensaio. Este gráfico não é armazenado pelo programa e serve somente
para a visualização do andamento do ensaio.
322
Figura V.6 –
Terceira tela do programa PADER com o campo Gráfico de O
2
ativado
mostrando o gráfico de Tempo (min) x Pressão (kPa) e o gráfico Tempo (min) x O
2
(%)
.
V.1.2.8. FINALIZANDO O PROGRAMA
Para finalizar o programa no término do ensaio existem duas opções:
•
deixar o ensaio atingir o tempo total estipulado no campo temporização;
•
ou clicar o botão PARAR.
No primeiro caso, o programa encerra sozinho, no segundo caso deve-se proceder a
saída do programa conforme apresentado a seguir.
V.1.2.9. SAINDO DO PROGRAMA
Após ativar a tecla Parar aparece a Figura V.2. Nesta tela deve-se clicar em
RETORNAR o que permitirá o surgimento da primeira tela apresentada na Figura V.1,
nela é possível fechar o programa clicando em FIM.
V.1.3. CONSIDERAÇÕES GERAIS
O programa gera um arquivo tipo *.dat que pode ser aberto e trabalhado no Excel
permitindo a elaboração de tabelas e gráficos.
Caso não se tenha à estimativa correta do tempo de duração do ensaio, extrapolar
utilizando um valor alto (sugestão 1000 horas). Porque o programa, após um período de
aquisição, não permite alteração do campo de temporização e caso isto seja feito o
programa trava.
O programa Excel permite somente a existência de 32000 linhas. Desta forma não
adianta deixar o período de P.I e P.E em intervalos muito pequenos. Isso dificulta a
manipulação dos dados e até ocasiona a perda de dados.
323
V.2. CALIBRAÇÃO DOS SENSORES DE OXIGÊNIO
Inicialmente a calibração foi feita com cromatografia e posteriormente comparada com
a calibração proposta pelo fabricante. Como a diferença não era significativa com
relação ao uso da cromatografia, optou-se utilizar a calibração do fabricante por esta ser
mais simples.
Nesta condição o sensor foi calibrado em um recipiente com umidade relativa de 20%
±
5% (precisão do sensor) e temperatura ambiente de 25
0
C
±
1
0
C. Para obter esta
atmosfera o sistema foi montado em uma sala com temperatura controlada de 25
0
C e na
célula de ensaio, sem o solo e com sílica gel na base, onde todos os sensores foram
ligados até que a umidade relativa na célula e a temperatura alcançassem o valor de
20% e 25
0
C. O controle da umidade relativa e da temperatura no interior da célula foi
realizado por um termohigrômetro colocado dentro do sistema, o tempo necessário para
o equilíbrio da temperatura e da pressão variava de 8 a 12 horas em função das
condições iniciais.
Depois de atingido o equilíbrio era observado no sistema de aquisição de dados PADR a
milivoltagem correspondente a concentração do oxigênio no ar para as condições
estabelecidas. Então, procedia-se o ajuste do ganho no
oxygen analyser
até que este
atingisse o valor do percentual de oxigênio correspondente a umidade e a temperatura
no interior da célula. Ciclos de purga com nitrogênio de duração de um minuto e uma
vazão de 5 mL/min a 1 KPa, foram efetuados até o momento em que os sensores não
variassem a sua milivoltagem. Esperava-se então que a milivoltagem estivessem em
zero, contudo, obteve-se valores diferentes. Com o valor de milivoltagem inicial
correspondente ao percentual de oxigênio no ar e a milivoltagem dos sensores na
ausência de oxigênio, elaborou-se uma reta de calibração com os dois pontos obtidos
para cada sensor. O coeficiente angular e linear dessa de calibração foi inserida no
programa de aquisição de dados nas constantes para cada sensor.
Após esta etapa passava-se por purgas com ar seco de forma a comparar a resposta
simultânea dos sensores, com a variação da concentração. Os valores de variação
encontrados não excederam 0,1% da concentração de oxigênio entre eles.
324
V.3. CALIBRAÇÃO DO TERMOPAR
O termopar foi conectado ao sistema de aquisição de dados no canal 7 e seu sinal pode
ser monitorado no computador a partir do programa PADER. O termopar utilizado foi o
mesmo utilizado por DEOTTI (2004).
A calibração do termopar foi efetuada em água devido a maior facilidade de manter a
temperatura constante para a observação da voltagem. Em um recipiente de plástico
revestido externamente por isopor foi colocada água gelada e um termômetro de
mercúrio com range de leitura de -10
0
C a 110
0
C. Quando a temperatura da água no
recipiente atingiu 15
0
C o termopar foi colocado em contato com a mesma. Procedeu-se
então a leitura da temperatura no termômetro e a voltagem correspondente de 16
0
C até
31
0
C que correspondia a temperatura ambiente no dia da calibração. Procedeu-se a
retirada do termopar e do termômetro do recipiente e adicionou-se água próximo ao
ponto de ebulição. Colocou-se primeiro o termômetro de mercúrio e ao atingir a
temperatura de 46 graus colocou-se o termopar. Procedeu-se então a leitura da variação
da voltagem com a temperatura até atingir a temperatura ambiente.
Para a calibração do termopar foram efetuados três ciclos de variação de temperatura de
16 a 45
0
C e observada a voltagem correspondente a cada grau conforme descrito
anteriormente. A Figura V.7 e Tabela V.3 apresentam a reta de calibração obtida.
y = 0,114x - 1,4299
R
2
= 0,9986
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Leitura (V)
Temperatura (
0
C)
Termopar
Figura V.7 –
Calibração média do termopar com os pontos dos três ciclos de leitura.
325
Tabela V.3 –
Ciclos de calibração do termopar.
Temperatura
0
C
Ciclo 1
Leitura
Volt
Ciclo 2
Leitura
Volt
Ciclo 3
Leitura
Volt
16,00 155,2 152 154
17,00 167 160 158
18,00 174,1 170 165
19,00 187,1 180 175
20,00 197,35 190 185
21,00 - 201 194
22,00 206,4 208 208
23,00 - 215 215
24,00 224 220 225
25,00 232 230 230
26,00 240 238 237
27,00 248 249 248
28,00 259 256 257
29,00 268 266 265
30,00 - 280 277
31,00 283 -
32,00 293 286 -
33,00 302 302 -
34,00 - 310 309
35,00 323 318 315
36,00 330 328 325
37,00 339 335 335
38,00 348 345 344
39,00 360 354 354
40,00 366 364 360
41,00 375 373 371
42,00 386 380 379
43,00 393 392 385
44,00 402 398 396
45,00 413 409 403
Toda vez que a temperatura do termopar começava a não corresponder a do termômetro
de mercúrio procedia-se uma nova calibração. As constantes de calibração são obtidas
por regressão linear dos dados experimentais no gráfico temperatura
versus
voltagem .O
coeficiente angular e linear obtido é fornecido ao programa PADER conforme
explicado anteriormente.
326
V.4. MANUAL DE USO DO PAINEL DE PRESSÃO
V.4.1. PAINEL DE PRESSÃO
O painel de pressão é composto pelos seguintes itens, conforme apresentado na Figura V.8:
a)
V1 – válvula de entrada de ar comprimido (alta pressão – 200 bar), para abrir girar no
sentido anti-horário e para fechar no sentido horário;
b)
V2 - válvula de entrada de nitrogênio (alta pressão – 200 bar), para abrir girar no
sentido anti-horário e para fechar no sentido horário;
c)
R1 – regulador principal de duplo estágio, para abrir girar no sentido anti-horário e para
fechar no sentido horário:
Pressão de entrada máxima da bala de ar comprimido ou nitrogênio: 210 bar;
Pressão de saída com range: 0 – 15 bar.
d)
V3 – válvula tipo agulha para purga da linha de alta pressão, abre no sentido anti-
horário e fecha no sentido horário;
e)
V4 – válvula tipo agulha para aplicação de pressão na linha de alta pressão, abre no
sentido anti-horário e fecha no sentido horário;
f)
R2 – regulador de simples estágio funcionando como limitador da pressão para R3, para
abrir girar no sentido anti-horário e para fechar no sentido horário:
Pressão de entrada máxima 15 bar;
Pressão de saída de até 6 bar;
g)
R3 - micro-regulador para ajuste fino:
Pressão de entrada máxima de 6 bar;
Pressão de saída de 0,1 a 3 bar;
h)
V5 - válvula tipo agulha para aplicação de pressão na linha de baixa pressão abre no
sentido anti-horário e fecha no sentido horário;
i)
V6 – válvula de segurança da pressão de saída de R1 (16 bar);
j)
V7 – válvula de segurança da pressão de entrada de R3 (0,1 a 3 bar).
Figura V.8 – Fotografia do painel de pressão com suas válvulas e reguladores de pressão.
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
R1
R3
R2
327
OBSERVAÇÃO V.1:
Se for utilizar o sistema e os manômetros de R1, R2 e R3 estiverem apresentando
alguma leitura e você desconhecer qual é o gás que se encontra no sistema, proceda a
purga para evitar a contaminação dos gases. Para este procedimento:
•
Fechar o registro das duas balas (ar comprimido e nitrogênio) no sentido horário;
•
Fechar V1 e V2 no sentido horário;
•
Deixar R1, R2 e R3 aberto;
•
Abrir a purga V3 e V5 até os manômetros de R1, R2 e R3 apresentarem leitura
igual a zero.
•
Fechar R1, R2 e R3 e V3 e V5 antes de iniciar a aplicação de pressão.
OBSERVAÇÃO V.2:
A saída de R1 corresponde à pressão de entrada de R2 e a saída de R2 corresponde à
pressão de entrada de R3. A pressão máxima de entrada de R2 é de 8 bar e de R3 é de 4
bar.
V.4.1.1. ALIMENTAÇÃO
V1 – Válvula de entrada de ar comprimido (alta pressão – 200 bar), para abrir girar no
sentido anti-horário e para fechar no sentido horário;
V2 - Válvula de entrada de nitrogênio (alta pressão – 200 bar), para abrir girar no
sentido anti-horário e para fechar no sentido horário;
R1 – regulador principal de duplo estágio:
Pressão de entrada máxima da bala de ar comprimido ou nitrogênio: 210 bar;
Pressão de saída com range: 0 – 15 bar.
V.4.1.2. ALTA PRESSÃO (3 – 15 bar)
Se for trabalhar com ar comprimido:
a)
conferir se o registro do nitrogênio está fechado;
b)
abrir no sentido anti-horário lentamente o registro da bala de ar comprimido
até o final;
c)
abrir no sentido anti-horário o registro V1;
d)
observar o manômetro de alta pressão (200 bar) até que a pressão estabilize;
e)
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer resistência;
f)
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 bar);
g)
regular até a pressão esperada;
h)
se a pressão ultrapassar, soltar um pouco a válvula R1 (sentido anti-horário);
i)
abrir o registro de V3 no sentido anti-horário para purga e alívio de pressão
do sistema;
j)
fechar o registro de V3 no sentido horário;
k)
ler o manômetro R1;
l)
se atingir a pressão desejada, abrir no sentido anti-horário a válvula V4.
Se for trabalhar com nitrogênio:
a)
conferir se o registro do ar comprimido está fechado;
b)
abrir lentamente no sentido anti-horário o registro da bala de nitrogênio até
o final;
c)
abrir o registro V2 no sentido anti-horário;
d)
observar o manômetro de alta pressão (200 bar) até que a pressão estabilize;
328
e)
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer resistência;
f)
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 bar);
g)
regular até a pressão esperada;
h)
se a pressão ultrapassar soltar um pouco a válvula R1 (sentido anti-horário);
i)
abrir o registro de V3 no sentido anti-horário para purga e alívio de pressão
do sistema;
j)
fechar o registro de V3 no sentido horário;
k)
ler o manômetro R1;
l)
se atingir a pressão desejada abrir a válvula V4.
V.4.1.3. BAIXA PRESSÃO (0 – 3 bar)
Se for trabalhar com ar comprimido:
a)
conferir se o registro do nitrogênio está fechado;
b)
abrir lentamente o registro da bala de ar comprimido até o final girando no
sentido anti-horário;
c)
abrir o registro V1 girando no sentido anti-horário;
d)
observar o manômetro de alta pressão (200 bar) até que a pressão estabilize;
e)
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer resistência;
f)
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 bar);
g)
regular até a pressão esperada;
h)
se a pressão ultrapassar, soltar um pouco a válvula R1 girando no sentido
anti-horário;
i)
abrir o registro de V3 para purga e alívio de pressão do sistema (sentido anti-
horário);
j)
fechar o registro de V3 no sentido horário;
k)
ler o manômetro R1;
l)
se atingir a pressão desejada (0-6 bar) abrir R2 girando no sentido horário até
atingir a pressão desejada mostrada pelo manômetro;
m)
abrir o regulador R3 girando no sentido horário até a pressão desejada;
n)
se a pressão ultrapassar a desejada fechar R3 um pouco girando no sentido
anti-horário;
o)
abrir a válvula V5 girando no sentido anti-horário para fazer a purga e
fechar;
p)
observar a pressão no regulador R3 e ajustar até atingir a pressão desejada
repetindo os passos listados nas letras m, n e o.
Se for trabalhar com nitrogênio:
a)
conferir se o registro do ar comprimido está fechado;
b)
abrir lentamente o registro da bala de nitrogênio até o final girando no
sentido anti-horário;
c)
abrir o registro V1 girando no sentido anti-horário;
d)
observar o manômetro de alta pressão (200 bar) até que a pressão estabilize;
e)
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer resistência;
f)
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 bar);
g)
regular até a pressão esperada;
h)
se a pressão ultrapassar soltar um pouco a válvula R1 girando no sentido
anti-horário;
i)
abrir o registro de V3 para purga e alívio de pressão do sistema (sentido anti-
horário);
329
j)
fechar o registro de V3 no sentido horário;
k)
ler o manômetro R1;
l)
se atingir a pressão desejada (0-6 bar) abrir R2 girando no sentido horário até
atingir a pressão desejada mostrada pelo manômetro;
m)
abrir o regulador R3 girando no sentido horário até a pressão desejada;
n)
se a pressão ultrapassar a desejada fechar R3 um pouco girando no sentido
anti-horário;
o)
abrir a válvula V5 girando no sentido anti-horário para fazer a purga e
fechar;
p)
observar a pressão no regulador R3 e ajustar até atingir a pressão desejada
repetindo os passos listados nas letras m, n e o.
V.4.1.4. MUDANÇA DE GÁS DO SISTEMA
Se for utilizar o sistema com outro gás:
a)
Fechar o registro das duas balas (ar comprimido e nitrogênio) no sentido horário;
b)
Fechar V1 e V2 no sentido horário;
c)
Deixar R1, R2 e R3 aberto;
d)
Abrir a purga V3 e V5 até os manômetros de R1, R2 e R3 apresentarem leitura
igual a zero.
e)
Fechar R1, R2 e R3 e V3 e V5 antes de iniciar a aplicação de pressão com o
novo gás.
330
V.5. MANUAL DE MONTAGEM DA CÉLULA DE ACRÍLICO E
SUA LIGAÇÃO AO SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
V.5.1. CÉLULA DE DIFUSÃO
A Figura V.9 e V.10 apresentam as peças que compõem a célula de difusão, cuja a
descrição é apresentada a seguir:
a)
Corpo de acrílico
b)
VSE – válvula superior de entrada de gás;
c)
VSS – válvula inferior de saída de gás;
d)
VIE – válvula inferior de entrada de gás;
e)
VIS – válvula inferior de saída de gás;
f)
Tampa;
g)
Base;
h)
Borboletas para fechar a célula;
i)
Plugs (vedação dos pontos de entrada dos sensores).
Figura V.9 –
Peças que compõem a célula de difusão.
G
F
H
I
A
B
C
D
E
331
Figura V.10 –
Célula de difusão com detalhe das borboletas de fixação e conexões.
As peças que compõem o sistema de compactação podem ser observadas com detalhe
nas Figuras V.11 e V.12, onde o significado das letras que marcam as diferentes peças
encontra-se apresentado a seguir:
j)
Pistão base;
k)
Colarinho base;
l)
Pistão topo;
m)
Colarinho topo;
n)
Disco de polietileno.
Figura V.11
– Vista superior das peças que compõem o sistema de compactação.
G
F
H
I
B
C
D
E
A
J
K
L
M
M
332
Figura V.12
– Vista frontal das peças que compõem o sistema de compactação.
Os acessórios que foram desenvolvidos para a montagem da célula podem ser
visualizados na Figura V.13. O significado das letras marcadas nessa figura são
apresentados a seguir:
o)
Sensores de oxigênio;
p)
Difusor de ar;
q)
Suporte da base;
r)
Sistema de compressão.
Figura V.13
- Fotografia mostrando as peças necessárias para a montagem do ensaio de
difusão em célula de acrílico com reservatório duplo e com massa finita na fonte.
J
K
L
M
N
O
P
R
Q
A
G
F
H
I
J
K
L
N
M
B
C
D
E
333
V.5.2. MONTAGEM DO ENSAIO
A montagem dos ensaios pode ser dividida em três estágios que se seguem:
♦
Estágio 1 – Moldagem por compactação
•
Pesar a célula montada com o solo em balança de 10Kg com precisão de uma
casa decimal (P3);
•
Retirar a tampa e a base;
•
Colocar bolas de algodão preenchendo as entradas, as saídas e as posições dos
sensores de forma a evitar que o solo durante a compactação preencha estes
orifícios;
•
Montar o colarinho sobre o pistão da base e posicionar na base da célula e
depois cobrir o pistão com o disco de polietileno;
•
Colocar este conjunto montado sob a balança de 10 Kg com precisão de uma
casa decimal e efetuar o peso P1 (Peso do corpo de acrílico + algodão + plug +
disco de polietileno);
•
Colocar o peso úmido e efetuar o peso P2 (Peso do corpo de acrílico + algodão +
plug + disco de polietileno + peso úmido);
•
Retirar da balança;
•
Posicionar o disco de polietileno sobre o solo, seguido do pistão com o colarinho
superior;
•
Levar este sistema montado para a prensa;
•
Compactar até que o pistão encoste no corpo de acrílico.
♦
Estágio 2 – Montagem da célula
•
Levar o conjunto compactado para uma bancada e virar de cabeça para baixo;
•
Retirar o pistão, o colarinho e o disco de polietileno da base;
•
Não esquecer de retirar o algodão dos orifícios;
•
Medir a altura restante com o paquímetro (altura base);
•
Posicionar o difusor de oxigênio em contato com a amostra e depois o suporte da
base;
•
Colocar a base e fechar com as borboletas apertando a 120
0
lentamente (cuidado
a vedação se dá pelo
o’ring
, ou seja, quando sentir resistência pare de apertar,
não utilize nenhuma ferramenta além das mãos para apertar);
•
Virar a célula, retirar o pistão, o colarinho e o disco de polietileno do topo, bem
como o algodão dos orifícios;
•
Medir a altura restante com o paquímetro (altura topo)
•
Posicionar o difusor de ar sobre o solo e depois colocar a tampa apertado as
borboletas tal como efetuado na base;
•
Passar a fita teflon na rosca dos sensores e posicionar um sensor na parte
superior da célula e outro sensor na parte inferior;
•
Pesar a célula montada com o solo (P3).
♦
Estágio 3 – Ligação da célula ao sistema de aquisição de dados
•
Conectar o módulo de aquisição de dados ao computador;
•
Conectar a fonte do módulo de aquisição de dados ao medidor de oxigênio
(alimentação de energia);
334
•
Conectar o sistema de aquisição de dados ao
nobreak
;
•
Ligar o
nobreak
, o sistema de aquisição de dados, o computador e o medidor de
oxigênio (esperar 10 minutos);
•
Conectar o sensor na caixa de medição de oxigênio;
•
Conectar a saída de dados do medidor de oxigênio ao sistema de aquisição de
dados (canais 3, 4, 5 e 6);
•
Conectar o termopar no canal 7.
•
CUIDADO
o
Medidor de oxigênio 1 – sensor 1 – canal 3
o
Medidor de oxigênio 2 – sensor 3 – canal 4
o
Medidor de oxigênio 3 – sensor 413 – canal 5
o
Medidor de oxigênio 4 – sensor 413 – canal 6
335
V.6. ENSAIOS DE DIFUSÃO
Para a execução do ensaio de difusão procede-se a moldagem e a ligação da célula ao
módulo de aquisição de dados e este ao computador. Depois de tudo devidamente
ligado, procede-se a inicialização do ensaio de acordo com a metodologia apresentada a
seguir:
a) Concentração Variável
•
Abrir o programa PADR
o
Clicar em ensaio e preencher os campos
Nome do arquivo
Operador
Observação
Data
Ensaio
Interessado
o
Clicar em continuar
o
Clicar no campo controle
Leitura teste, leitura zero
•
Proceder a purga na célula
o
Ensaio com massa finita – reservatório superior (ar) e inferior
(nitrogênio);
o
Purga na base
•
conferir se o registro do ar comprimido está fechado e manômetros
com leitura zero (ver manual do painel);
•
abrir lentamente o registro da bala de nitrogênio até o final girando
no sentido anti-horário;
•
abrir o registro V1 girando no sentido anti-horário;
•
observar o manômetro de alta pressão (200 kgf/cm
2
) até que a pressão
estabilize;
•
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer
resistência;
•
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 kgf/cm
2
);
•
regular até a pressão esperada (2 kgf/cm
2
);
•
se a pressão ultrapassar soltar um pouco a válvula R1 girando no
sentido anti-horário;
•
abrir o registro de V3 para purga e alívio de pressão do sistema
(sentido anti-horário);
•
fechar o registro de V3 no sentido horário;
•
ler o manômetro R1;
•
se atingir a pressão desejada (0-6 kgf/cm
2
) abrir R2 girando no
sentido horário até atingir a pressão desejada (2 kgf/cm
2
)mostrada
pelo manômetro;
•
abrir o regulador R3 girando no sentido horário até a pressão desejada
(0,2 kgf/cm
2
);
•
se a pressão ultrapassar a desejada fechar R3 um pouco girando no
sentido anti-horário;
•
abrir a válvula V5 girando no sentido anti-horário para fazer a purga
e fechar;
336
•
observar a pressão no regulador R3 e ajustar até atingir a pressão
desejada repetindo os passos anteriores;
•
Ligar o tubo de polipropileno NPT 1/4' ao regulador de fluxo (a
pressão que entra no regulador de fluxo não pode exceder 4 kgf/cm2)
e a saída do regulador de fluxo liga na célula de difusão VIE.
•
Abrir a VIS e depois VIE, ajustar o fluxo de gás para 3 L/min
•
Monitorar o sistema de aquisição de dados até que a leitura da
concentração comece a reduzir e estabilize próximo a 3 %, esperar
um minuto, cortar o fornecimento de gás e fechar VIE e depois VIS
(fechar a entrada sempre antes da saída para não gerar pressão na
célula)
o
Purga na fonte
•
Durante a purga do oxigênio, ligar o sistema de ar comprimido do
laboratório (NPT 1/4') ao regulador de fluxo (a pressão que entra no
regulador de fluxo não pode exceder 4 kgf/cm2) e a saída do
regulador de fluxo liga na célula de difusão VIE.
•
Ligar o tubo de polipropileno NPT 1/4' ao regulador de fluxo (a
pressão que entra no regulador de fluxo não pode exceder 4 kgf/cm2)
e a saída do regulador de fluxo liga na célula de difusão VIE.
•
Esperar até a leitura do sensor estabilizar e se mantiver próximo à
20.9%.
•
Cessada a purga e com a célula fechada clicar em leitura inicial
•
Alterar a temporização
o
Intervalo de leitura – 6000 horas
o
Período inicial – 1 minuto
o
Intervalo P.I. – 6 segundos (24 horas de ensaio) e 600 (30 dias de ensaio)
o
Intervalo P.F. – 6 segundos (24 horas de ensaio) e 600 (30 dias de
ensaio)
•
E observar o gráfico da concentração de oxigênio com o tempo
o
Clicar em Gráficos
Para alterar os eixos para concentração de oxigênio para melhor
visualização do resultado
•
O ensaio termina quando a concentração do reservatório fonte iguala com o da
base.
•
Para terminar com a aquisição de dados
o
Clicar - Parar, sair
o
Muda de tela – clicar retorna
o
Muda de tela - Fim
b) Concentração Constante
•
Abrir o programa PADER
o
Clicar em ensaio e preencher os campos
Nome do arquivo
Projeto
Operador
Observação
Data
Ensaio
337
Interessado
o
Clicar em continuar
o
Clicar no campo controle
Leitura teste, leitura zero
•
Proceder a purga na célula
o
Ensaio com massa finita – reservatório superior (ar) e inferior
(nitrogênio);
o
Purga na base
•
conferir se o registro do ar comprimido está fechado e manômetros
com leitura zero (ver manual do painel);
•
abrir lentamente o registro da bala de nitrogênio até o final girando
no sentido anti-horário;
•
abrir o registro V1 girando no sentido anti-horário;
•
observar o manômetro de alta pressão (200 kgf/cm
2
) até que a pressão
estabilize;
•
girar no sentido horário lentamente o registro R1 até oferecer
resistência;
•
observar a leitura no segundo manômetro de R1 (0 – 15 kgf/cm
2
);
•
regular até a pressão esperada (2 kgf/cm
2
);
•
se a pressão ultrapassar soltar um pouco a válvula R1 girando no
sentido anti-horário;
•
abrir o registro de V3 para purga e alívio de pressão do sistema
(sentido anti-horário);
•
fechar o registro de V3 no sentido horário;
•
ler o manômetro R1;
•
se atingir a pressão desejada (0-6 kgf/cm
2
) abrir R2 girando no
sentido horário até atingir a pressão desejada (2 kgf/cm
2
)mostrada
pelo manômetro;
•
abrir o regulador R3 girando no sentido horário até a pressão desejada
(0,2 kgf/cm
2
);
•
se a pressão ultrapassar, a desejada fechar R3 um pouco, girando no
sentido anti-horário;
•
abrir a válvula V5 girando no sentido anti-horário para fazer a purga
e fechar;
•
observar a pressão no regulador R3 e ajustar até atingir a pressão
desejada repetindo os passos anteriores;
•
Ligar o tubo de polipropileno NPT 1/4' ao regulador de fluxo (a
pressão que entra no regulador de fluxo não pode exceder 4 kgf/cm2)
e a saída do regulador de fluxo liga na célula de difusão VIE.
•
Abrir a VIS e depois VIE, ajustar o fluxo de gás para 3 L/min
•
Monitorar o sistema de aquisição de dados até que a leitura da
concentração comece a reduzir e estabilize próximo a 3 %, esperar
um minuto, cortar o fornecimento de gás e fechar VIE e depois VIS
(fechar a entrada sempre antes da saída para não gerar pressão na
célula)
•
Abrir, o reservatório fonte e manter aberto durante toda a purga e
deixa-lo da mesma forma durante o ensaio.
•
Cessada a purga e com a célula fechada na base clicar em leitura inicial
•
Alterar a temporização
338
o
Intervalo de leitura – 6000 horas
o
Período inicial – 1 minuto
o
Intervalo P.I. – 6 segundos (24 horas de ensaio) e 600 (30 dias de ensaio)
o
Intervalo P.F. – 6 segundos (24 horas de ensaio) e 600 (30 dias de
ensaio)
•
E observar o gráfico da concentração de oxigênio com o tempo
o
Clicar em Gráficos
Para alterar os eixos para concentração de oxigênio para melhor
visualização do resultado
•
O ensaio termina quando a concentração do reservatório fonte iguala com a
concentração da base.
•
Para terminar com a aquisição de dados
o
Clicar - Parar, sair
o
Muda de tela – clicar retorna
o
Muda de tela - Fim
c) Ensaio de difusão com sucção controlada
1)
Compactar o solo na célula de difusão e ao montar dispor os papéis filtro em
contato com a base e o topo do corpo de prova e com a base e topo da célula. Os
papéis devem estar previamente identificados para posterior pesagem. Pese a
célula com os papéis filtro
2)
Deixar o papel filtro em contato com a amostra de solo durante sete dias no caso
de solo arenoso e 14 dias no caso de solo argiloso em ambiente com temperatura
controlada de 25
0
C não excedendo a variação de 1
0
C
3)
No final deste período desmontar a célula com cuidado para retirar o papel filtro
a.
Retirar a mola e o papel filtro que está em contato com a mola e o solo
b.
Tirar as borboletas da base, e virar a célula de lado
c.
Retirar o prato e o papel filtro que está em contato com o prato e o solo
d.
Colocar o prato e a base
e.
Virar a célula e coloca-la de pé e apertar as borboletas da base
f.
Colocar a mola, posicionar a tampa e apertar as borboletas
g.
Preste atenção nas borrachas de vedação para que elas estejam na
posição
4)
Neste instante a célula está montada novamente, pese a célula sem os papéis
filtro. Troque a sílica do sensor, pese a célula novamente
5)
Neste momento o procedimento é igual ao ensaio de difusão com concentração
variável e depois constante na fonte conforme apresentado anteriormente
6)
Após terminado o ensaio de difusão com concentração constante na fonte, deixe
a célula aberta (sem tampa, sem a mola e com os registros abertos para perder
umidade, mas com a base e o prato). No final do dia observe se atingiu o peso
desejado, senão deixe aberto durante a noite e no dia seguinte pese, se não
chegar pese a noite. Vá deixando até atingir o peso, para auxiliar a perda de
umidade pode usar uma lâmpada fraca
7)
Atingido o peso
a.
soltar as borboletas da base
b.
virar a célula
c.
retirar o prato
d.
colocar o papel filtro em contato com o solo
e.
colocar o prato
339
f.
colocar o papel filtro em contato com a base (não deixe o papel ficar
sobre o anel de vedação – pois este não irá vedar)
g.
posicionar a base
h.
virar a célula posicionando de pé
i.
colocar as borboletas e apertar, cuidado, verificar se o anel de vedação
está no local correto
j.
colocar o papel filtro que fica em contato com o solo e a mola, colocar a
mola
k.
colocar o papel filtro sobre a mola e posicionar a tampa (não deixe o
papel ficar sobre o anel de vedação – pois este não irá vedar)
l.
Deixar o sistema por sete dias
8)
Repetir os passos 3 e 4 para concluir mais um ponto de papel filtro. Realizar o
ensaio de difusão passo 5 e preparar o corpo de prova para o próximo ponto do
papel filtro passo 6. Iniciar o papel filtro novamente passo 7. Repetir este
procedimento 6 vezes
OBSERVAÇÃO:
IMPORTANTÍSSIMO:
1 – trocar a sílica antes de todos os ensaios de difusão
2 – retirar sempre a mola (topo) antes do prato (base)
3 – ao montar sempre primeiro colocando o suporte da base e depois a mola, porque se
colocar a mola primeiro ela vai empurrar o corpo de prova.
3 – retirar o papel filtro e colocar no pesa filtro previamente pesado tal como no ensaio
de papel filtro.
4 – a temperatura da sala deve ser mantida em 25 graus.
340
V.7. ENSAIO DE CONSUMO DE OXIGÊNIO NA CÉLULA
SIMPLES
Este ensaio esta sendo determinado com a célula bipartida, mas somente com a parte
superior conforme apresentado na Figura V.14.
Figura V.14
– Célula de difusão com ensaio de consumo em andamento.
V.7.1. Montagem do Ensaio de Consumo
1)
Pegar a célula e trocar a sílica
2)
Pesar a célula sem o solo – P1 (com tampa e parafusos)
3)
Pesar o correspondente a 40 g de solo seco em um recipiente. Ou seja, se
estamos trabalhando com um material com umidade de 14% coloco
aproximadamente (40*1.14= 45.6 g). Calcular para a cinza com 40% de
umidade e para a jazida empresa com 15%;
4)
Verter o solo pesado na célula e fechá-la;
5)
Pesar a célula montada com o solo (P2)
6)
Ligar o computador
7)
Ligar o sistema de aquisição de dados (PADER no desktop) e o programa de
aquisição;
8)
Conectar o sensor de oxigênio e fechar os registros da célula;
9)
Iniciar a aquisição de dados – tempo total 500 e PI e PF de 30;
10)
Proceder o ensaio por 3 dias;
11)
Após 3 dias fazer a purga com o N2
a.
Abrir os registros da célula
b.
No painel conferir se o registro 2 está fechado, abrir e fechar o balão de
N2, abrir o Registro 1. Observar se todos os manômetros apresentam
pressão. E se o gás está saindo da mangueira.
c.
Conectar em uma das extremidades da célula o tubo de gás;
d.
Soltar o sensor de oxigênio, deixar o gás permear pela sílica e posicionar
o sensor neste local;
e.
Fechar o registro da célula que se encontra na direção oposta a da
entrada;
f.
Segurar o sensor até que a leitura da concentração no sensor comece a
decrescer conforme observado na Figura V.15 (observando no sistema de
aquisição de dados até que fique com 3%);
341
Figura V.15
- Detalhe do posicionamento do sensor na célula durante a purga.
g.
Abrir o registro que foi fechado anteriormente e enroscar o sensor na
entrada com sílica (cuidado para que este não entre torto e danifique a
rosca do sensor de oxigênio) conforme apresentado na Figura V.16;
Figura V.16 –
Detalhe da célula com o sensor fixado ainda durante a purga e os
registros abertos.
h.
Esperar de 3 a 5 minutos deixando o gás passar, caso o gás acabe repita o
passo descrito na letra b;
i.
Desconectar o tubo da entrada da célula e fechar os registros, ficando a
célula montada e com o ensaio em andamento conforme ilustrado na
Figura V.17;
Figura V.17 –
Detalhe da célula após a purga com o ensaio em andamento.
342
j.
Fechar o registro 1 do painel de pressão e conferir se o registro da bala
está fechado;
k.
Monitorar por 24 horas.
12)
Pese a célula montada e com o solo no final do ensaio (P3)
13)
E determine a umidade do material colocado.
Observação: na célula 1 – material esterilizado com formaldeído e na célula 2 sem o
material esterilizado. Utilizar o sensor 1 na célula 1 e o 2 na célula 2
343
ANEXO VI
ANÁLISE PARAMÉTRICA NO
PROGRAMA POLLUTE DO
ESQUEMA EXPERIMENTAL
UTILIZADO NO ESTUDO DA
DIFUSÃO
344
VI.1. ANÁLISE PARAMÉTRICA NO PROGRAMA
POLLUTE
Para o melhor entendimento do funcionamento do programa POLLUTE quanto ao
módulo referente à taxa de consumo e o coeficiente de difusão, realizou-se uma análise
paramétrica.
VI.1. SIMULAÇÕES EMPREGADAS
Nesta análise foram simuladas as seguintes condições:
a) Utilizando os parâmetros sugeridos por MBONIMPA et al. (2003) para rejeitos
A altura do reservatório de coleta e da fonte foi fixada em 3,00 cm, a da camada de areia
2,00 cm, e a espessura do rejeito em 5,00 cm. A camada de areia é posicionada acima e
abaixo da camada de solo de forma a atuar como uma barreira capilar impedindo a
variação da umidade do rejeito durante o ensaio. Os dados de entrada são sumarizados
na Tabela VI.1.
Tabela VI.1 – Dados de Entrada no Programa POLLUTE reproduzindo as condições de
MBONIMPA
et al.
(2003).
Material S (%) n
θ
θθ
θ
a
θ
θθ
θ
eq
D (m
2
/s) D*(m2/s) K(1/s) K*(1/s)
Rejeito
0,90 0,44 0,044 0,056 4,59x10
-9
8,21x10
-8
0 0
Rejeito
0,90 0,44 0,044 0,056 4,59x10
-9
8,21x10
-9
9,51x10
-8
1,70x10
-6
Rejeito
0,90 0,44 0,044 0,056 4,59x10
-9
8,21x10
-9
9,51x10
-7
1,70x10
-5
Areia
0,15 0,40 0,340 0,341 3,12x10
-6
9,14x10
-9
6,34x10
-6
9,14x10
-4
D* e t*
1/2
- parâmetros de entrada no POLLUTE, onde D* = D/θeq e K* = K/ θ
eq
, t*
1/2
= (ln2)/(K*)
A Figura VI.1 reproduz o resultado do ensaio de MBONIMPA
et al.
(2003) onde a taxa
de reação K de 9,51 x 10
-8
s
-1
é um valor típico de resíduo pouco reativo e o de 6,34
x10
-8
s
-1
de resíduos altamente reativos.
0
3
6
9
12
15
18
21
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
D = 4.59x10
-9
m
2
/s
K = 6.34x10
-6
s
-1
S = 0.90
θ
eq
= 0.056
D = 4.59E
-9
m
2
/s
K = 9.51x10
-7
s
-1
S = 0.90
θ
eq
= 0.056
D = 4.59x10
-9
m
2
/s
K = 9.51x10
-8
s
-1
S = 0.90
θ
eq
= 0.056
D = 4.59x10
-9
m
2
/s
K = 0 s
-1
S = 0.90
θ
eq
= 0.056
Figura VI.1 – Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE, para as condições descritas por MBONIMPA
et al.
(2003).
A mudança é significativa na taxa de consumo quando muda de 10
-7
s
-1
para 10
-6
s
-1
.
345
b) Influência do grau de saturação e da taxa de reação no rejeito fino peneirado
Para esta análise, uma série de simulações foi realizada utilizando as condições de
moldagem do rejeito fino peneirado, em quatro graus de saturação distintos. O
coeficiente de difusão efetivo utilizado foi obtido numericamente pela equação de
COLLIN & RASMUSON (1988) para os graus de saturação desejados. Em cada grau
de saturação foram consideradas quatro taxas de reação distintas que são: sem reação,
material levemente reativo, material de reatividade média e de reatividade alta tomando
por base os valores apresentados por MBONIMPA
et al.
(2003).
A altura do reservatório de coleta foi fixada em 3,75 cm e o reservatório fonte em 3,00
cm, sendo a espessura do rejeito definida em 3,18 cm com massa específica aparente
seca de 1,393 g/cm
3
conforme o corpo de prova moldado com o rejeito fino peneirado.
Não se considerou o perfil no solo, sendo definida a concentração no reservatório fonte
de 21% e no de coleta 0%. A Tabela VI.2 sumariza os dados de entrada e a Figura VI.2
apresenta os resultados, organizados pelos graus de saturação de 0,9, 0,78, 0,5 e 0,15.
Tabela VI.2 – Dados de Entrada no Programa POLLUTE em diferentes graus de saturação e
constante de reação para o rejeito fino peneirado com porosidade total de 0,338.
S (%)
θ
θθ
θ
a
θ
θθ
θ
eq
D (m
2
/s) D*(m2/s) K(1/s) K*(1/s) t*
1/2
(s)
0,039
0,050 4,59x10
-9
9,12x10
-8
0 0 0
0,039
0,050 4,59x10
-9
9,12x10
-8
1,00x10
-7
1,99x10
-6
3,49x10
+5
0,039
0,050 4,59x10
-9
9,12x10
-8
1,00x10
-6
1,99x10
-5
3,49x10
+4
0,900
0,039
0,050 4,59x10
-9
9,12x10
-8
5,00x10
-6
9,94x10
-5
6,98x10
+3
0,085
0,095 4,59x10
-8
4,81x10
-7
0 0 0
0,085
0,095 4,59x10
-8
4,81x10
-7
1,00x10
-7
1,05x10
-6
6,61x10
+5
0,085
0,095 4,59x10
-8
4,81x10
-7
1,00x10
-6
1,05x10
-5
6,61x10
+4
0,780
0,085
0,095 4,59x10
-8
4,81x10
-7
5,00x10
-6
5,24x10
-5
1,32x10
+4
0,194
0,200 4,59x10
-7
2,29x10
-6
0 0 0
0,194
0,200 4,59x10
-7
2,29x10
-6
1,00x10
-7
4,99x10
-7
1,39x10
+6
0,194
0,200 4,59x10
-7
2,29x10
-6
1,00x10
-6
4,99x10
-6
1,39x10
+5
0,500
0,194
0,200 4,59x10
-7
2,29x10
-6
5,00x10
-6
2,49x10
-5
2,78x10
+4
0,330
0,332 3,00x10
-6
9,04x10
-6
0 0 0
0,330
0,332 3,00x10
-6
9,04x10
-6
1,00x10
-7
3,01x10
-7
2,30x10
+6
0,330
0,332 3,00x10
-6
9,04x10
-6
1,00x10
-6
3,01x10
-6
2,30x10
+5
0,150
0,330
0,332 3,00x10
-6
9,04x10
-6
5,00x10
-6
1,51x10
-5
4,60x10
+4
D* e t*
1/2
- parâmetros de entrada no POLLUTE, onde D* = D/θeq e K* = K/ θ
eq
, t*
1/2
= (ln2)/(K*)
Para baixos coeficientes de difusão efetiva, ou seja, próximo a do ar, a simulação deve
ser extrapolada para tempos bem elevados de forma a observar a diferença entre as taxas
de consumo.
346
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
K - 0 (1/s)
K - 1x10-7 (1/s)
K - 1x10-6 (1/s)
K - 5x10-6 (1/s)
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
0
5
10
15
20
25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
K - 0 (1/s)
K - 1X10-7 (1/s)
K - 1X10-6 (1/s)
K - 5X10-6 (1/s)
S - 0.78
n - 0.388
D - 5x10
-8
m
2
/s
θ
eq
- 0.095
0
5
10
15
20
25
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
K - 0 (1/s)
K - 1X10-7 (1/s)
K- 1X10-6 (1/s)
K- 5X10-6 (1/s)
S - 0.050
n - 0.388
D - 5x10
-7
m
2
/s
θ
eq
- 0.200
0
5
10
15
20
25
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
t1/2 - 0 s
t1/2 - 1X10-7 s
t1/2 - 1X10-6 s
t1/2 - 5X10-6 s
S - 0.15
n - 0.388
D - 3x10
-6
m
2
/s
θ
eq
- 0.332
Figura VI
.
2 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE para o rejeito fino peneirado, com os graus de saturação de
0,90, 0,78, 0,50 e 0,15.
c) Influência da variação do grau de saturação
Conforme aumenta o grau de saturação diminui o coeficiente de difusão e o ensaio se
torna mais lento, mas esta relação não influencia no valor da taxa de reação conforme
apresentado na Figura VI.3, estando em desacordo com o que foi apresentado por
ELBERLING
et al.
(1994) conforme descrito no capítulo 6. O referido autor apresenta
uma equação que relaciona a taxa de consumo de forma diretamente proporcional ao
volume e a área do reservatório e inversamente proporcional ao coeficiente de difusão
efetivo. Para esta modelagem foi utilizada a mesma espessura do corpo de prova e
alturas do reservatório do estudo anterior. Nesta análise também foi mantida a
porosidade em 0,388 e a taxa de reação em 1.0x10
-6
s
-1
. O parâmetro que variou foi o
grau de saturação, e consequentemente o coeficiente de difusão efetivo e a porosidade
equivalente. Para a estimativa do coeficiente de difusão foi empregada a equação de
COLLIN & RASMUSON (1988) tal como na análise anterior. As características usadas
nesta análise paramétrica são apresentadas na Tabela VI.3.
Tabela VI.3 – Dados de Entrada no Programa POLLUTE em diferentes graus de saturação e
mesma constante de reação e porosidade.
S (%) n
θ
θθ
θa θ
θθ
θeq
D (m2/s) D*(m2/s)
K(1/s) K*(1/s) t*1/2 (s)
0,800 0,388 0,078 0,088 3,50x10
-8
3,98x10
-7
1,00x10
-6
1,14x10
-5
6,09x10
+4
0,780 0,388 0,085 0,095 4,59x10
-8
4,81x10
-7
1,00x10
-6
1,05x10
-6
6,61x10
+4
0,760 0,388 0,093 0,103 6,50x10
-8
6,32x10
-7
1,00x10
-6
9,72x10
-6
7,13x10
+4
0,740 0,388 0,101 0,110 8,50x10
-8
7,70x10
-7
1,00x10
-6
9,06x10
-6
7,65x10
+4
0,720 0,388 0,109 0,118 1,00x10
-7
8,48x10
-7
1,00x10
-6
8,48x10
-6
8,17x10
+4
0,700 0,388 0,116 0,125 1,22x10
-7
9,73x10
-7
1,00x10
-6
7,98x10
-6
8,69x10
+4
D* e t*
1/2
- parâmetros de entrada no POLLUTE, onde D* = D/θeq e K* = K/ θ
eq
, t*
1/2
= (ln2)/(K*)
347
0
5
10
15
20
25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
D - 3.5E-8, S - 0.80
D - 5.0E-8, S - 0.78
D - 6.5E-8, S - 0.76
D - 8.5E-8, S - 0.74
D - 1.0E-7, S - 0.72
D - 1.2E-7, S - 0.70
S - variando
n - 0.388
θ
eq
- variando
D - variando
K - 1 x 10
-6
s
-1
Figura VI
.
3 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE para o rejeito fino peneirado, com os graus de saturação
variando de 0,8 a 0,7.
e) Análise da porosidade sobre o resultado final
Com relação a esta análise, foi utilizado o corpo de prova com a massa específica
aparente seca de 1,383 g/cm
3
, grau de saturação de 0,78 e porosidades de 0,6, 0,5, 0,4 e
0,3, além da taxa de reação de 1x10
-6
s
-1
. As características do corpo de prova simulado
e o resultado obtido encontram-se apresentados respectivamente na Figura VI.4 e
Tabela VI.4. Na análise paramétrica, a variação da porosidade total não afeta o resultado
final da modelagem conforme era de se esperar, porque o coeficiente de difusão efetivo
foi definido como constante e a taxa de reação independe deste parâmetro.
0
5
10
15
20
25
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
n=0.6
n=0.5
n=0.4
n=0.3
S - 0.78
n - variando
θ
eq - variando
D - 5x10
-8
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
Figura VI.4 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE para o rejeito fino peneirado, com diferentes porosidades.
348
Tabela VI.4 – Dados de Entrada no Programa POLLUTE para o rejeito fino peneirado com
diferentes porosidades e coeficiente de difusão efetivo e taxa de reação constantes.
S (%) n
θ
θθ
θ
a
θ
θθ
θ
eq
D (m
2
/s) D*(m
2
/s) K(1/s) K*(1/s) t*1/2 (s)
0,780 0,600 0,132 0,147 4,59x10
-8
3,11x10
-7
1,00x10
-6
6,78x10
-6
1,02x10
+5
0,780 0,500 0,110 0,123 4,59x10
-8
3,74x10
-7
1,00x10
-6
8,14x10
-6
8,52x10
+4
0,780 0,400 0,088 0,098 4,59x10
-8
4,67x10
-7
1,00x10
-6
1,02x10
-5
6,81x10
+4
0,780 0,300 0,066 0,074 4,59x10
-8
6,23x10
-7
1,00x10
-6
1,36x10
-5
5,11x10
+4
D* e t*
1/2
- parâmetros de entrada no POLLUTE, onde D* = D/θeq e K* = K/ θ
eq
, t*
1/2
= (ln2)/(K*)
f) Influência da concentração no solo e nos reservatórios de coleta e fonte com
relação a constante de reação
Nesta análise reproduziu-se a condição de espessura do corpo de prova e altura dos
reservatórios da simulação anterior, onde o corpo de prova apresentava massa específica
aparente seca de 1,383 g/cm
3
, porosidade total de 0,388, grau de saturação de 0,78 e
coeficiente de difusão efetivo de aproximadamente 5x10
-8
m
2
/s e taxa de reação efetiva
de 1,0x10
-6
s
-1
. Nesta análise foi variada a concentração inicial no reservatório de coleta,
fonte e no solo, conforme apresentado na Figura VI.5, no intuito de observar o
comportamento do consumo e da difusão com relação a concentração inicial. Nota-se
que a diferença da concentração inicial não influencia significativamente no tempo de
ensaio, e o decréscimo da concentração é igual em todos os ensaios quando observado o
trecho após cessada a difusão.
0
5
10
15
20
25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
F=21, C=0, S=0
F=21, C=5, S=0
F=15, C=5, S=0
F=21, C=0, S=21
F=21, C=0, S=PERFIL
S - 0.78
n - 0.388
θ
eq
- 0.095
D - 5x10
-8
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
Figura VI.5 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE para o rejeito fino peneirado, com diferentes concentrações no
reservatório fonte (F), coleta (C) e no solo (S).
g) Influência da relação altura dos reservatórios versus a espessura do corpo de
prova no resultado final
A altura dos reservatórios pode ser diretamente relacionada com a massa disponível
para a reação, ou seja, quanto menor a altura do reservatório fonte e coleta com relação
à espessura do corpo de prova mais rápido é o ensaio e mais acentuado é o decréscimo
da concentração. Neste estudo, foi utilizada a massa especifica aparente seca do resíduo
de 1,383 g/cm
3
, porosidade de 0,388, saturação de 0,78 e 0.90, coeficiente de difusão
efetivo de aproximadamente 5x10
-8
m
2
/s e taxa de reação de 1x10
-6
s
-1
. A espessura do
349
corpo de prova foi mantida em 3,18 cm, e altura do reservatório e coleta variaram de 1
cm a 4 cm conforme apresentado na Figura VI.6. O que se observa é que quando a
altura dos reservatórios é de 1 e 2 cm a variação é mais acentuada e diminui para os
valores de altura em torno de 4 cm.
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
F=1, C=1, S=3.18
F=2, C=2, S=3.18
F=3, C=3, S=3.18
F=3.18, C=3.18, S=3.18
F=4, C=4, S=3.18
S - 0.90
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1 x 10
-6
s
-1
(a)
0
5
10
15
20
25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
F=1, C=1, S=3.18
F=2, C=2, S=3.18
F=3, C=3, S=3.18
F=3.18, C=3.18, S=3.18
F=4, C=4, S=3.18
S - 0.78
n - 0.388
θ
eq
- 0.095
D - 5x10
-8
m
2
/s
K - 1 x 10
-6
s
-1
(b)
Figura VI
.
6 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos
numericamente com POLLUTE para o rejeito fino peneirado, com diferentes alturas no
reservatório fonte (F) e coleta (C), mantendo a espessura do solo (S), em (a) para saturação de
0,90 e (b) 0,78.
h) Análise com o solo
Neste estudo, foi reproduzida a condição de moldagem da Jazida Empresa, com grau de
saturação de saturação 0,78 e coeficiente de difusão efetivo constante, variando a taxa
de reação. A altura do reservatório de coleta foi fixada em 3,75 cm e fonte em 3,00 cm,
sendo a altura no solo de 3,18 cm, tal como nos ensaios realizados na tese, mas para esta
análise foi utilizada massa específica aparente seca de 1,831 g/cm
3
e a porosidade de
0,313. Não se considerou o perfil no solo, sendo definida concentração no reservatório
350
fonte de 21% e no de coleta 0%. A Figura 7 apresenta os resultados. Conforme
apresentado no capítulo 6 a parcela difusiva depende do gradiente de concentração e do
coeficiente de difusão efetivo, já a parcela de consumo depende da concentração do íon
a ser consumido. Ou seja, a variação da massa específica e do coeficiente de difusão
efetivos, não afetam o resultado da simulação, independente da análise no rejeito ou no
solo.
0
5
10
15
20
25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
K - 0 (1/ s)
K - 1X10-7 (1/ s)
K - 1X10-6 (1/ s)
K - 5X10-6 (1/ s)
S - 0.78
n - 0.313
θ
eq
- 0.077
D - 5x10
-8
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
Figura
VI
.
7
- Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta,
obtidos numericamente com POLLUTE para a Jazida Empresa com grau de saturação
de 0.78 e porosidade de 0,313.
VI.2. DETERMINAÇÃO DA TAXA DE CONSUMO
ELBERLING
et al.
(1994) sugere que para a interpretação dos resultados do ensaio de
consumo, estes sejam plotados em gráficos Ln da concentração
versus
tempo. A
inclinação da curva obtida pode ser atribuída à taxa de consumo por parte do resíduo
e/ou a atividade microbiológica. De forma a comprovar esta análise, foi plotado o
resultado do estudo paramétrico no rejeito fino peneirado com grau de saturação de 0,9,
coeficiente de difusão estimado pela equação de COLLIN & RASMUSON (1988) para
este grau de saturação, massa específica aparente seca de 1,383 g/cm
3
, porosidade de
0,388 e constante de reação de 1x10
-6
s
-1
. A Figura VI.8 apresenta o gráfico ln C
versus
tempo em (a), ln C/C
ar
versus
tempo em (b) , ln C/C
0
versus
tempo em (c), onde C –
concentração no reservatório, C
ar
– Concentração do oxigênio no ar e C
0
– concentração
inicial no reservatório.
O que se pode observar é que, independente da forma que a concentração seja plotada
versus
o tempo, a inclinação da curva depois de cessada a difusão (equilíbrio da
concentração no reservatório fonte e coleta) é a mesma. A Figura VI.9 apresenta a
simulação com grau de saturação e coeficiente de difusão efetivo distintos da Figura 8,
mas que foram avaliados com as demais condições iniciais iguais. Os graus de saturação
estudados são 0,78, 0,50 e 0,15.
351
y = -0.0388x + 2.8971
R
2
= 1
y = -0.0412x + 2.9396
R
2
= 0.9895
y = -0.0387x + 2.2075
R
2
= 1
y = -0.0387x + 2.2075
R
2
= 1
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 5 10 15 20 25 30 35
Tempo (dias)
Ln C
Fonte + Coleta
Fonte
Coleta
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
(a)
y = -0.0388x - 0.1474
R
2
= 1
y = -0.0412x - 0.1049
R
2
= 0.9895
y = -0.0389x - 0.8442
R
2
= 1
y = -0.0387x - 0.837
R
2
= 1
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 5 10 15 20 25 30 35
Tempo (dias)
Ln C/C
ar
Fonte + Coleta
Fonte
Coleta
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
(b)
y = -0.0388x - 0.1474
R
2
= 1
y = -0.0412x - 0.1049
R
2
= 0.9895
y = -0.0389x - 0.8442
R
2
= 1
y = -0.0387x + 6.8127
R
2
= 1
-4
-2
0
2
4
6
8
0 5 10 15 20 25 30 35
Tempo (dias)
Ln C/C
0
Fonte + Coleta
Fonte
Coleta
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1x10
-6
s
-1
(c)
Figura
VI
.
8
- Evolução temporal do Ln da concentração nos reservatórios fonte e
coleta, obtidos a partir da análise paramétrica POLLUTE para o Rejeito Fino Peneirado.
Quando se compara, em um mesmo ensaio, o coeficiente angular da soma dos
reservatórios considerando todo o ensaio (verde) e somente o trecho final após cessada a
difusão nota-se uma pequena diferença que se não for considerada pode levar a uma
diferença significativa no valor final da taxa de reação. Mas, quando se compara o
comportamento no trecho final no reservatório fonte, coleta e soma dos reservatórios
(vermelho) os valores se tornam semelhantes, como era de se esperar. Pequenas
variações são observadas em função de arredondamentos do ajuste. Esse
comportamento indica que a análise da taxa de reação pode ser avaliada em qualquer
um desses reservatórios após o término do ensaio.
352
A Tabela VI.5 apresenta os dados referentes a taxa de consumo que foram utilizados
para a análise paramétrica no programa POLLUTE, e o resultado previsto com relação a
equação de ELBERLING
et al.
(1994) e pela metodologia a proposta nesta dissertação
considerando a regressão linear.
Tabela VI.5 - Taxa de consumo e Tempo de meia vida utilizados na análise paramétrica no
programa POLLUTE, previsto pela equação de ELBERLING
et al
. (1994) e a proposta nesta
dissertação.
POLLUTE
Previsto – Elberling
et al (1994)
Previsto
Metodologia Tese
S
Condição
analisada
Inclinação
Curva
K
(1/dia)
t
1/2
(dia)
K
(1/dia)
t
1/2
(dia)
K
(1/dia)
t
1/2
(dia)
Dif.
Σ f + c
(total)
0,041
0,086
8,023 2,0x10-02 3,6x10
+1
0,088
7,921
0,013
Σ f + c
(final)
0,039
0,086
8,023 1,7x10
-2
4,0x10
+1
0,082
8,411
-
0,048
Fonte (f)
0,039
0,086
8,023 1,7x10
-2
4,0x10
+1
0,083
8,389
-
0,046
0.90
Coleta (c)
0,039
0,086
8,023 1,7x10
-2
4,0x10
+1
0,082
8,433
-
0,051
Σ f + c
(total)
0,050
0,086
8,023 2,9x10
-3
2,4x10
+2
0,107
6,488
0,191
Σ f + c
(final)
0,039
0,086
8,023 1,7x10
-3
4,0x10
+2
0,082
8,433
-
0,051
Fonte (f)
0,039 0,086 8,023 1,7x10
-3
4,0x10
+2
0,082 8,433
-
0,051
0.78
Coleta (c)
0,039
0,086
8,023 1,7x10
-3
4,0x10
+2
0,082
8,433
-
0,051
Σ f + c
(total)
0,105
0,086
8,023 1,3x10
-3
5,4x10
+2
0,224
3,099
0,614
Σ f + c
(final)
0,037
0,086
8,023 1,6x10
-4
4,4x10
+3
0,079
8,796
-
0,096
Fonte (f)
0,037
0,086
8,023 1,6x10
-4
4,4x10
+3
0,079
8,773
-
0,094
0.50
Coleta (c)
0,037
0,086
8,023 1,6x10
-4
4,4x10
+3
0,079
8,820
-
0,099
Σ f + c
(total)
0,214
0,086
8,023 8,1x10
-4
8,6x10
+2
0,455
1,523
0,810
Σ f + c
(final)
0,035
0,086
8,023 2,2x10
-5
3,2x10
+4
0,075
9,245
-
0,152
Fonte (f)
0,035
0,086
8,023 2,2x10
-5
3,2x10
+4
0,075
9,245
-
0,152
0.15
Coleta (c)
0,035
0,086
8,023 2,2x10
-5
3,2x10
+4
0,075
9,245
-
0,152
- t*
1/2
- parâmetros de entrada no POLLUTE, onde t*
1/2
= (ln2)/(K*) e K* = K/ θ
eq
,
Aplicando a equação proposta por ELBERLING
et al.
(1994) a partir da inclinação da
curva resultante no gráfico Ln C
versus
o tempo, o resultado final é bastante distante do
real.
O que pode ser observado na análise paramétrica apresentada é que o coeficiente de
difusão varia com a altura dos reservatórios e com a concentração nos reservatórios e
solo. ROLSTON (1986) propõem um fator de correção para o cálculo do coeficiente de
difusão que considera a relação do volume do reservatório fonte e o volume do
reservatório de coleta. Não foi utilizado o fator de correção proposto por esse autor, mas
considerou-se esta relação na interpretação do resultado.
353
Nesta dissertação decidiu-se criar um fator que relaciona a inclinação da curva obtida no
gráfico Ln C
versus
tempo com o volume dos reservatórios e do material, conforme
apresentado na equação (1).
K
(estimado na tese)
= K
(obtido graficamente)
* (V
(coleta+fonte)
/V
(solo)
) (Eq. VI.1)
Conforme pode ser observado na Tabela 5, o valor imposto ao programa é
aproximadamente 5% mais lento do que o estimado graficamente para altas saturações
(acima de 78%), e esta diferença aumenta para saturações mais baixas. Para comparar a
diferença entre o medido e o estimado, realizou-se uma modelagem com o valor de
entrada da taxa de reação
±
5% para altas saturações e 12% para baixas saturações. Nas
condições de baixas saturações o ensaio é tão rápido que esta diferença não se mostrou
visível graficamente. A Figura VI.9 apresenta o resultado dessa análise paramétrica para
0,9 de grau de saturação.
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
VALOR DE ENTRADA
5% MAIS
5% MENOS
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1 x 10
-6
s
-1
+/- 5%
Figura VI.9 – Gráfico apresentando a dispersão de 6% na taxa de consumo em rejeito fino
peneirado com grau de saturação de 0,9.
Mesmo que não considerada, esta diferença pode ser tornar significativa quando se
analisa o consumo de um material a longo prazo. Optou-se por utilizar, além da relação
do volume dos reservatórios pelo volume de solo, um fator de correção de 1,05 para
saturações acima de 70% e 1,12 para saturações inferiores a 70% na interpretação do
resultado. Ressalta-se que esta técnica visa uma determinação rápida da taxa de
consumo a partir do ensaio de difusão, sabendo que existe uma incerteza envolvida,
principalmente para baixas saturações. Deve-se destacar também que se trata de uma
análise paramétrica e que durante o ensaio fatores como variação da temperatura,
estratificação da concentração nos reservatórios e variação da taxa da atividade
microbiológica com o tempo também ocorrem e afetam a concentração.
De forma a simplificar, a análise pode-se determinar diretamente a inclinação da reta ln
C
versus
tempo, no gráfico concentração
versus
tempo com um ajuste exponencial
realizado com auxílio do programa Excel. Este ajuste também pode ser realizado no
gráfico de concentração normalizada
versus
o tempo conforme apresentado na Figura
VI.10.
354
y = 9.0092e
-0.0388x
R
2
= 1
y = 9.1083e
-0.0388x
R
2
= 1
y = 18.117e
-0.0388x
R
2
= 1
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (dias)
Concentração de Oxigênio (%)
VALOR DE ENTRADA
Expon. (Fonte)
Expon. (Coleta)
Expon. (Fonte+Coleta)
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1 x 10
-6
s
-1
+/- 5%
y = 0.429e
-0.0388x
R
2
= 1
y = 0.4337e
-0.0388x
R
2
= 1
y = 0.8627e
-0.0388x
R
2
= 1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (dias)
Concentração Normalizada Oxigênio
VALOR DE ENTRADA
Expon. (Fonte)
Expon. (Coleta)
Expon. (Fonte+Coleta)
S - 0.900
n - 0.388
θ
eq
- 0.050
D - 5x10
-9
m
2
/s
K - 1 x 10
-6
s
-1
+/- 5%
Figura VI.10 - Evolução temporal da concentração nos reservatórios fonte e coleta, obtidos a
partir da análise paramétrica POLLUTE para o Rejeito Fino Peneirado com o ajuste exponencial
para o cálculo da taxa de consumo, em (a) gráfico Concentração
versus
o tempo e em (b)
Concentração Normalizada
versus
o tempo
.
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