Remediação Eletrocinética de Metais em Resíduos Sólidos Industriais

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA INTERDISCIPLINAR DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA E CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Remediação Eletrocinética de Metais em Resíduos Sólidos Industriais Aluna: Carina Pedrazzoli Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Araújo Ponte Co-orientador: Profa. Dra. Maria José J. de Santana 2003

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS MATERIAIS E MÉTODOS ETAPAS DO PLANO DE TRABALHO CRONOGRAMA BIBLIOGRAFIA... 9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Diagrama esquemático da configuração de um eletrodo e a geometria usada na implementação de campo da correção eletrocinética...3 Figura 2 Esquema para montagem da unidade experimental....6

3 1. INTRODUÇÃO A remediação eletrocinética, também chamada de processamento eletrocinético do solo, eletromigração, descontaminação eletrocinética, ou eletrocorreção, pode ser usada para separar (extrair) radionuclídeos, metais e alguns tipos de resíduos orgânicos de solos saturados ou insaturados, lamas e sedimentos. Na tecnologia do processamento de solo citada primeiramente há uma separação e técnica de remoção para a extração dos contaminantes do solo. O princípio da remediação eletrocinética baseia-se na aplicação de uma corrente direta de baixa intensidade através do solo entre dois ou mais eletrodos. Muitos solos contêm água nos poros entre as partículas sólidas e tem uma condutividade elétrica própria que resulta da presença de sais no solo. A corrente mobiliza espécies carregadas eletricamente, partículas e íons no solo pelos seguintes processos: Eletromigração (transporte de espécies químicas carregadas sob um gradiente elétrico); Eletro-osmose (transporte de fluido intersticial sob um gradiente elétrico); Eletroforese (movimento de partículas carregadas sob um gradiente elétrico); Eletrólise (reações químicas associadas com o campo elétrico). A figura 1 apresenta um diagrama sistemático de uma aplicação conceitual típica da correção eletrocinética. A variação do ph nos eletrodos resulta da eletrólise da água. A solução torna-se ácida no ânodo porque os íons hidrogênio são produzidos e o gás oxigênio é liberado, e a solução torna-se básica no cátodo, onde os íons hidróxido são gerados e o gás hidrogênio é liberado. No ânodo, o ph poderia cair até abaixo de 2, e poderia aumentar até acima de 12 no cátodo, dependendo da corrente total aplicada. A frente ácida eventualmente migra do ânodo para o cátodo. A movimentação da frente ácida por migração resulta na dessorção de contaminantes do solo. O processo conduz à acidificação temporária do solo tratado, e não há um procedimento estabelecido para a determinação do tempo necessário para o restabelecimento do equilíbrio. Estudos têm indicado que eletrodos metálicos podem dissolver-se como resultado da eletrólise e introdução de produtos corrosivos no solo. Porém, se eletrodos inertes, tais como carbono grafite ou platina forem usados, não serão introduzidos resíduos no solo tratado como resultado do processo. Os eletrodos podem ser dispostos horizontalmente ou verticalmente, dependendo da localização e forma da porção contaminada.

4 Figura 1 Diagrama esquemático da configuração de um eletrodo e a geometria usada na implementação de campo da correção eletrocinética. Antes de a remediação eletrocinética ser adotada em um local, um número de diferentes campos e testes laboratoriais de filtragem devem ser realizados para determinar se o local particular é propício à técnica de tratamento. Pesquisas de condutividade de campo: a variabilidade de espaço geológico natural deve ser delineada porque o material metálico ou isolante enterrado pode induzir variabilidade na condutividade elétrica do solo e, conseqüentemente, no gradiente de voltagem. Além disso, é importante avaliar se há depósitos que exibam condutividade elétrica muito alta na qual a técnica pode ser ineficiente. Análise química da água: a água intersticial deve ser analisada para a maioria dos ânions e cátions dissolvidos, assim como a concentração pedida dos contaminantes. Além disso, a condutividade elétrica e o ph da água intersticial devem ser medidos. Análise química do solo: a capacidade tamponante e geoquímica do solo devem ser determinadas em cada local. Efeitos do ph: os valores de ph da água intersticial e do solo devem ser determinados porque eles têm um grande efeito na valência, solubilidade e sorção dos íons contaminantes. Teste de balanço de massa: mecanismo dominante de transporte, taxas de remoção e quantidades de contaminação não removidas podem ser examinadas por tipos de

5 remoção diferentes através da realização de testes de balanço de massa. Devido a muitas dessas reações químicas serem inter-relacionadas, é necessário conduzir os testes de balanço de massa para prever a performance da correção eletrocinética em escala de campo. A eletrocinética pode ser eficiente na extração de contaminantes de granulometria fina, de solos de elevada permeabilidade. Um número de fatores determina a direção e a extensão da migração dos contaminantes. Tais fatores incluem o tipo e a correção do contaminantes, o tipo e a estrutura do solo, e a química interfacial do sistema. A água e algumas outras soluções apropriadas podem ser adicionadas ao sistema para acentuar a mobilidade dos contaminantes e aumentar a eficiência da tecnologia (por ex. soluções tampão podem mudar ou estabilizar o ph do fluido intersticial). Os contaminantes que atingem os eletrodos podem ser removidos por algum dos diversos métodos, incluindo eletroincrustração ao eletrodo, precipitação ou co-precipitação ao eletrodo, bombeamento da água próxima ao eletrodo, ou complexação com resinas de troca iônica. A eletroquímica associada com este processo envolve uma frente ácida que é gerada no ânodo se a água for o primeiro fluido intersticial presente. A remediação eletrocinética, conforme comentado, envolve a aplicação de uma corrente direta de baixa densidade entre eletrodos dispostos no solo para mobilizar contaminantes na forma de espécies eletricamente carregadas. A tentativa de lixiviar metais do solo por eletro-osmose iniciou em No passado, as pesquisas enfocavam a remoção de sais indesejáveis nos solos agrícolas. A eletrocinética tem sido usada para a despoluição dos solos e lamas desde o primeiro uso registrado em A extração eletrocinética tem sido usada na antiga União Soviética desde meados de 1970 para concentrar metais e explorar minerais em solos profundos. Em meados de 1980, numerosas pesquisas mostraram, independentemente, que a separação eletrocinética de metais dos solos foi uma solução potencial para a descontaminação.

6 2. OBJETIVOS O objetivo principal deste projeto é o desenvolvimento e adequação de técnica eletrocinéticas para tratamento de metais, como chumbo, cromo, arsenio, zinco, cadmiun, cobre, mercúrio, etc de resíduos sólidos e águas subterrâneas.

7 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento deste projeto será inicialmente feita a disponibilização de alguns equipamentos como: ph, condutivímetro, fontes de potencial, bomba de vácuo e sistema de resina trocadora de íons, etc. Será então montado um tanque, conforme esquema apresentado na figura 2, para ensaio de solos preparados com diversas características de granulometria, condutividade iônica, ph, concentração de íons metálicos, etc. Neste tanque, com capacidade para 20 litros de solo, serão posicionados eletrodos e feita a aplicação de potenciais. Através do campo gerado por este potencial serão criados gradientes de potencial, de concentração de íons metálicos e de ph. Estes gradientes serão registrados e analisados para determinação das condições ótimas do processo que envolve a avaliação de parâmetros significativos no processo. Será feito um balanço de massa para definir o mecanismo dominante de transporte, taxas de remoção e quantidades de contaminação não removidas.. Devido a muitas dessas reações químicas serem inter-relacionadas, é necessário conduzir os testes de balanço de massa para prever a performance da correção eletrocinética em escala de campo. Figura 2 Esquema para montagem da unidade experimental.

8 4. ETAPAS DO PLANO DE TRABALHO Para o desenvolvimento deste projeto serão realizadas as seguintes etapas: A - Elaboração de pesquisa bibliográfica e levantamento de informações sobre processos de tratamento de resíduos sólidos; B - Implementação de sistema experimental para simulação de processo de remediação eletrocinética; C - Avaliação da variação da concentração do íon em estudo com a distância do ânodo e cátodo; D - Avaliação da variação de ph no sistema com relação ao tempo; E Balanço de massa e avaliação da eficiência do processo; F - Avaliação econômica do processo desenvolvido; G - Elaboração de relatório técnico sobre aplicação e monitoramento do processo de remoção de metais de resíduos sólidos; H - Exame de qualificação; I - Elaboração da dissertação; J - Defesa da dissertação

9 5. CRONOGRAMA O desenvolvimento deste projeto está previsto para realização segundo o seguinte cronograma de realização: Etapa Duração da atividade em Bimestres A X X X B X X X X C X X X X D X X X X E X X X X X X F X X X X G X X H X I X J X

10 6. BIBLIOGRAFIA - ALSHAWABKEH NA, YEUNG AT, BRICKA MR. Practical aspects of in situ electrokinetic extraction. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING- ASCE 1999,Vol 125, Iss 1, pp YEUNG AT, HSU C, MENON RM. Physicochemical soil-contaminant interactions during electrokinetic extraction. JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS 1997, Vol 55, Iss1-3, pp YEUNG AT, MENON RM. Electrokinetic remediation. 2. Theoretical model. JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING 1997, Vol 123, Iss11, pp YEUNG AT, CHUNG M, CORAPCIOGLU MY, STALLARD WM. Impoundment liner repair by electrophoresis of clay. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING-ASCE 1997,Vol 123, Iss 10, pp YEUNG AT, SCOTT TB, GOPINATH S, MENON RM, HSU C. Design, fabrication, and assembly of na apparatus for electrokinetic remediation studies. GEOTECHNICAL TESTING JOURNAL 1997, Vol 20, Iss 2, pp YEUNG AT, Dtl S. Fundamental formulation of electrokinetic extraction of contaminants from soil: Reply. CANADIAN GEOTECHNICAL JOURNAL 1996, Vol 33, Iss 4, pp YEUNG AT, HSU CN, MENON RM. EDTA-enhanced electrokinetic extraction of lead. JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING-ASCE 1996, Vol 122, Iss 8, pp YEUNG AT, SHANG JQ. Impact of system chemistry om electroosmosis in contaminated soil Discussion. JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING ASCE 1996, Vol 122, Iss 3, pp YEUNG AT, DATLA S. Fundamental Formulation of Electrokinetic Extraction of Contaminants from soil. CANADIAN GEOTECHNICAL JOURNAL 1995, Vol 32, Iss 4, pp YEUNG AT. Complicated phenomena of electrokinetic extraction of contaminants from soil. ABSTRACTS OF PAPERS OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 1994, Vol 207, pp 117-envr. - YEUNG AT, MITCHELL JK. Coupled fluid, electrical and chemical flows in soil. GEOTECHNIQUE 1993, Vol 43, Iss 1, pp

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