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Artigos cientificos e sugestões de temas para TCC - ENGENHARIA CIVIL

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367
ESTUDO DA MIGRAÇÃO DE URÂNIO ATRAVÉS DE UMA CAMADA DE
SOLO COMPACTADO
M. E. G. Boscov
Departamento de Engenharia Civil - EPUSP
W. Pereira Filho
Departamento de Engenharia Civil - EPUSP
J.e.s. Sarkis
Departamento de Engenharia Civil - EPUSP
Y.C. Huang
Departamento de Engenharia Civil - EPUSP
RESUMO: O presente artigo apresenta um estudo sobre a difusão de urânio em solução através de
uma argila laterítica compactada, com vistas a fornecer subsídios técnicos e científicos para o
projeto ambientalmente seguro dos reservatórios de efluentes de uma indústria de processamento
de urânio. Foram realizados ensaios de difusão com soluções de urânio a diversas concentrações
em meio nítrico e em meio sulfúrico, para verificar os fenômenos de difusão e adsorção do isótopo
radioativo natural 238U no solo em estudo. Os resultados mostram retenção mais significativa do
urânio no solo em meio nítrico do que em meio sulfúrico, ao passo que a difusão através do solo é
mais lenta em meio sulfúrico do que em meio nítrico. Pode-se concluir que, nas duas situações,
pela combinação dos dois fenômenos, é promissora a construção do revestimento
impermeabilizante de fundo dos reservatórios com camadas compactadas do solo estudado.
1. INTRODUÇÃO
O presente artigo apresenta um estudo sobre
o transporte de urânio em solução através de
uma argila laterítica compactada, com vistas a
analisar a segurança ambiental do projeto do
revestimento impermeabilizante inferior (“clay
liner”) dos reservatórios de efluentes de uma
indústria de processamento de urânio.
Os principais mecanismos de transporte de
um soluto através do solo são: advecção,
dispersão mecânica, difusão, e reações
químicas do próprio soluto na solução ou do
soluto com as partículas sólidas do solo.
Supõe-se que a camada de solo compactado
seja construída com baixa permeabilidade,
diminuindo a relevância da advecção e da
dispersão mecânica. Neste estudo, portanto,
foram consideradas apenas a difusão e a reação
química de adsorção do soluto pelas partículas
sólidas do solo, mecanismos que ocorrem
mesmo na ausência de percolação da solução.
O decaimento radioativo não apresentou efeito
significativo na variação de concentrações ao
longo do tempo de ensaio, visto que a meia
vida do urânio isótopo 238U é da ordem de
4,51x109 anos.
Foram realizados ensaios de difusão do
isótopo radioativo natural 238U, em meio
nítrico e em meio sulfúrico, com concentrações
variando de 0,5 mg/L a 15 mg/L, através de
corpos-de-prova do solo a ser empregado no
campo, compactados estaticamente no peso
específico seco máximo e no teor de umidade
ótimo determinados na Energia Normal de
compactação. O procedimento dos ensaios de
difusão foi desenvolvido por Barone at al.
(1989) e adaptado por Boscov (1997) para
solos compactados.
As concentrações nas soluções durante os
ensaios de difusão foram determinadas por
meio de um espectrômetro de massa de alta
resolução, com fonte de plasma induzida por
argônio (HR ICP-MS).
368
2. INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL
2.1 Características Geotécnicas do Solo
A curva granulométrica, os limites de
Atterberg, o peso específico dos grãos e as
características de compactação na Energia
Normal do solo estudado estão apresentados na
Figura 1.
0.001 0.01 0.1 1 10
Diâmetro dos grãos (mm)
0
20
40
60
80
100
P
o
rc
en
ta
g
em
 q
u
e 
p
as
sa
 (
%
)
d (kN/m3) 26,9
LL (%) 34
IP (%) 9
Classificação USCS ML
gsmax (kN/m3) 17,7
hot (%) 16,0
Figura 1. Características geotécnicas do solo
2.2 Ensaio de Difusão
O ensaio de difusão foi apresentado por
Barone et al. (1989) e adaptado por Boscov
(1997) para corpos-de-prova compactados.
Consiste no monitoramento da concentração de
uma solução em contato com um corpo-de-
prova de solo ao longo do tempo, e na
determinação da distribuição de concentrações
ao longo da profundidade do corpo-de-prova
após um determinado tempo de ensaio, em um
sistema sem gradiente hidráulico.
A Figura 2 ilustra o equipamento
empregado e os resultados típicos obtidos em
um ensaio de difusão.
O corpo-de-prova é compactado
estaticamente na célula de difusão e saturado
por capilaridade. A parte superior do cilindro,
referida como reservatório, é preenchida pela
solução. As amostras do fluido no reservatório
são coletadas em intervalos de tempos
regulares através do orifício na tampa da
célula, por meio de uma pipeta graduada, para
monitoramento da concentração da solução.
Ao final do ensaio, o corpo-de-prova é fatiado
em cinco a sete camadas de espessuras iguais
para determinar a distribuição de
concentrações na água intersticial ao longo da
profundidade. A água dos poros é extraída de
cada camada pela aplicação da pressão de 25
MPa; admite-se que sob essa pressão a água da
camada dupla não seja removida. A Figura 2
apresenta também as distribuições típicas da
concentração do fluido no reservatório e da
concentração na água intersticial do corpo-de-
prova em função da profundidade, no tempo
inicial e em um instante t.
Cr(t=0)
Cs(t=0)
6,4 cm ou 8,5 cm
4,5 cm
6,0 cm SOLUÇÃO
SOLO
Cr(t)
Cs(t)
SOLO
RESERVATÓRIO
ORIFÍCIO PARA AMOSTRAGEM
Figura 2. Ensaio de difusão
2.3. Quantificação da Concentração de 238U
A determinação analítica da concentração
de urânio nas amostras líquidas coletadas nos
ensaios de difusão foi realizada por um
espectrômetro de massa de alta resolução, com
fonte de plasma induzida por argônio (HR
ICP-MS). Trata-se de uma técnica cada vez
mais utilizada para a análise de metais em
níveis de traços para fins ambientais (Gastel et
al., 1997).
Para a quantificação das concentrações foi
feita uma curva de calibração de 1 a 10 ng/mL,
utilizando índio (115In) como padrão interno
(Analyst, 1987).
As amostras coletadas, de 1 mL, foram
diluídas até concentrações da ordem de ppb
(ng/L) antes da leitura no espectrômetro.
A espectrometria de massa é uma técnica
baseada na medição isotópica da relação
massa/carga. O espectrômetro é basicamente
composto por quatro partes: o sistema de
introdução da amostra, o sistema ótico para
transferência de íons, o analisador de massa e o
sistema de detecção. A amostra é introduzida
no plasma de argônio a aproximadamente
369
8000K, passando pelos processos de
evaporação, vaporização, atomização e
ionização. Os íons formados são extraídos
desta região através de uma interface por
diferença de pressão. Esta interface funciona
como um colimador do feixe e separador entre
o plasma e o sistema de lentes onde os íons são
focalizados. O feixe iônico é lançado em um
campo magnético, onde os íons são separados
pela razão massa/carga. A seguir, os íons são
novamente acelerados e separados pela razão
massa/carga ao serem lançados em um campo
eletrostático. Após a separação, os íons são
detectados por um detetor do tipo
multiplicador de elétrons.
No presente estudo foi empregado um
espectrômetro de massa de dupla focalização
com geometria reversa Nier-Johnson (HR ICP-
MS; Element, Finnigan MAT, Bremen,
Alemanha). Pereira et al. (1999) realizaram
estudos básicos de sensibilidade, efeito matriz,
efeito memória e otimização dos parâmetros
operacionais.
2.4 Procedimento Experimental
Corpos-de-prova compactados
estaticamente no ponto ótimo da Energia
Normal foram saturados por capilaridade por
três dias, atingindo grau de saturação de no
mínimo 93%. A seguir foram submetidos à
difusão de 238U por 21 dias, com coleta de
amostras de 1 mL da solução do reservatório a
cada 48 horas.
Foram utilizadas soluções de partida em
meio nítrico e em meio sulfúrico, para estudar
a influência do meio nos mecanismos de
difusão e adsorção. Também foram efetuados
ensaios com soluções de diferentes
concentrações,para verificar a hipótese de que
o coeficiente de difusão de um elemento em
um dado solo independe da concentração da
solução.
As concentrações das soluções em meio
nítrico variaram de 1 a 15 mg/L, com três
repetições para 1 mg/L, além do ensaio
“branco”, isto é, meio nítrico com mesmo pH,
porém sem a presença de urânio. As repetições
foram consideradas necessárias para analisar a
consistência do procedimento experimental.
Os ensaios de difusão em meio sulfúrico
foram realizados com concentrações variando
de 0,5 a 10 mg/L, com duas repetições para as
concentrações de 0,5 mg/L, 1 mg/L e 10 mg/L,
além do ensaio “branco”.
Não foram refeitos ensaios com soluções
muito concentradas (Boscov et al., 1998), dada
a baixa probabilidade de ocorrência em campo.
Todas soluções de partida apresentavam
valor de pH igual a 1, correspondente a meio
muito ácido e pouco propício à adsorção.
A temperatura e a umidade relativa do ar
durante os ensaios foram 25ºC e 75%,
respectivamente.
3. RESULTADOS
Algumas características de moldagem dos
corpos-de-prova estão apresentadas na Tabela
1. A denominação N ou S refere-se a ensaio
em meio nítrico ou sulfúrico, respectivamente.
Os resultados dos ensaios de difusão são
apresentados na forma de curvas de
concentração no reservatório em função do
tempo e concentração na água intersticial do
corpo-de-prova em função da profundidade. As
Figuras 3 e 4 mostram, respectivamente, os
resultados dos ensaios de difusão em meio
nítrico e sulfúrico.
Tabela 1. Características dos corpos-de-prova
CP C0
(mg/L)
GC
(%)
Dh
(%)
e0 s0
(%)
BN - 102,6 0,01 0,48 90
1N-1 1 100,3 0,08 0,51 84
1N-2 1 99,8 0,04 0,25 83
1N-3 1 100,0 0,04 0,52 83
2N 2 101,0 0,01 0,50 86
5N 5 103,8 0,01 0,46 93
10N 10 98,5 0,04 0,54 80
15N 15 100,4 0,08 0,51 85
BS - 101,0 0,01 0,50 86
0,5S-1 0,5 100,1 0,01 0,52 84
0,5S-2 0,5 101,6 0,01 0,49 87
1S-1 1 99,3 0,04 0,53 82
1S-2 1 102,7 0,04 0,48 90
2S 2 101,8 -0,13 0,49 87
5S 5 100,7 0,01 0,51 85
10S-1 10 102,8 0,04 0,48 91
10S-2 10 99,8 0,04 0,52 83
20S 20 101,8 -0,13 0,49 87
C0 = concentração inicial, GC = grau de
compactação, Dh = desvio de umidade,e0 =
índice de vazios, s0 = saturação inicial
370
0 100 200 300 400 500 600
Tempo (horas)
0
5
10
15
20
C
o
n
ce
n
tr
aç
ão
 n
o
 r
es
er
va
tó
ri
o
 (
m
g
/L
)
1N-1
1N-2
1N-3
2N
5N
10N
15N
BN
Meio nítrico
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Concentração na água intersticial do corpo-de-prova (mg/L)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
 (
cm
)
1N-1
1N-2
1N-3
2N
5N
10N
15N
BN
Meio nítrico
Figura 3. Resultados dos ensaios de difusão em meio nítrico
A concentração de urânio no reservatório
nos ensaios de difusão em meio nítrico
decresceu significativamente com tempo para
todas soluções ensaiadas, desde os instantes
iniciais.
Por outro lado, as concentrações de urânio
na água intersticial do solo são muito baixas
para todos corpos-de-prova. Os valores
observados são inferiores a 5% da
concentração inicial da solução de partida.
O perfil de concentrações de urânio na
água intersticial do solo ao longo da
profundidade é praticamente linear, sem
evidência de uma frente de soluto penetrando
no solo.
A concentração de urânio no reservatório
determinada nos ensaios de difusão em meio
sulfúrico apresenta constância ou leve
decréscimo em função do tempo.
A distribuição de concentrações de urânio
na água do solo ao longo da profundidade do
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0 100 200 300 400 500 600
Tempo (horas)
0
2
4
6
8
10
C
o
n
ce
n
tr
aç
ão
 n
o
 r
es
er
va
tó
ri
o
 (
m
g
/L
)
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
2S
5S
10S-1
10S-2
BS
Meio sulfúrico
0 2 4 6
Concentração na água intersticial do corpo-de-prova (mg/L)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
 (
cm
)
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
2S
5S
10S-1
10S-2
BS
Meio sulfúrico
Figura 4. Resultados dos ensaios de difusão em meio sulfúrico
corpo-de-prova manifesta uma frente de
migração de soluto através do solo. A
concentração na camada superior chega a
atingir 50% do valor da concentração da
solução de partida.
Comparando as Figuras 3 e 4 , a difusão de
urânio em meio sulfúrico parece ser mais lenta
do que em meio nítrico. Nos ensaios “brancos”
(BN e BS), foram determinadas baixas
concentrações de urânio no fluido do
reservatório e na água do solo, indicando que
os efeitos decorrentes da desadsorção ou da
dissolução do urânio a partir dos minerais do
solo são pouco significativos nos resultados
dos ensaios.
A Figura 5 mostra os resultados dos ensaios
com os valores de concentração referidos à
concentração inicial da solução de partida, a
fim de determinar qualitativamente as
tendências da difusão do urânio.
372
0 100 200 300 400 500 600
Tempo (horas)
0
20
40
60
80
100
C
/C
0 
 (
%
) 1N-1
1N-2
1N-3
2N
5N
10N
15N
Meio nítrico
0 100 200 300 400 500 600
Tempo (horas)
0
50
100
150
C
/C
0 
 (
%
l
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
2S
5S
10S-1
10S-2
Meio sulfúrico
0 20 40 60 80 100
C/C0 (%)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
 (
cm
)
1N-1
1N-2
1N-3
2N
5N
10N
15N
Meio nítrico
0 20 40 60 80 100
C/C0 (%)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
(c
m
)
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
2S
5S
10S-1
10S-2
Meio sulfúrico
(a) (b)
Figura 5. Resultados dos ensaios de difusão referidos à concentração inicial da solução de partida:
(a) meio nítrico; (B) meio sulfúrico
Nos ensaios em meio nítrico, o formato das
curvas de concentração relativa de urânio
(C/C0) no fluido do reservatório em função do
tempo e na água do solo em função da
profundidade do corpo-de-prova não mostra
dependência significativa em relação à
concentração inicial da solução de partida.
De fato, para a faixa de concentrações
ensaiadas, os ensaios em meio nítrico podem
ser genericamente representados por duas
curvas médias quando os valores da
concentração são expressos em porcentagem
relativa à concentração inicial da solução.
Em meio sulfúrico, a concentração inicial
influi tanto na velocidade de saída de urânio do
reservatório como na migração através do solo.
A Figura 6 mostra os resultados dos ensaios
que foram repetidos, com soluções iniciais de
igual concentração, para verificar a
consistência do procedimento experimental.
Observa-se a boa repetibilidade alcançada pelo
procedimento experimental adotado nos
ensaios realizados.
Na Tabela 2 estão apresentados os
resultados dos balanços de massa calculados
para todos os ensaios.
Os resultados na Tabela 2 confirmam as
observações relativas às curvas apresentadas
nas Figuras 3 e 4. Para meio nítrico, a massa
final de urânio no reservatório era menor do
que 4% da massa inicial na solução de partida
em todos os ensaios, com exceção do CP 10N,
em que esse valor foi igual a 12%. Dadas as
baixas concentrações de urânio na água
intersticial do corpo-de-prova, calcula-se que
mais do que 90% do urânio fica retido no solo.
A adsorção do urânio proveniente do
reservatório na camada superior do solo
dificulta a migração para dentro do corpo-de-
prova. Essas conclusões parecem se aplicar
também às soluções em meio sulfúrico com
concentração de 0,5 mg/L.
Para o meio sulfúrico, para as soluções de
concentração maior ou igual a 1 mg/L, a massa
de urânio no reservatório pouco se altera com o
tempo. A massa total de urânio na água do
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0 100 200 300 400 500 600
Tempo (horas)
0
0.5
1
1.5
C
o
n
ce
n
tr
at
çã
o
 n
o
 r
es
er
va
tó
ri
o
 (
m
g
/L
)
1N-1
1N-2
1N-3
Meio nítrico
Concentração inicial = 1mg/L
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Concentração na água intersticial do corpo-de-prova (mg/L)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
(c
m
)
1N-1
1N-2
1N-3
Meio nítrico
Concentração inicial = 1 mg/L
(a)
0 100 200 300 400 500
Tempo (horas)
0
0.5
1
1.5
2
C
o
n
ce
n
tr
aç
ão
 n
o
 r
es
er
va
tó
ri
o
 (
m
g
/L
)
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
Meio sulfúrico
Concentrações iniciais = 0,5 mg/L e 1 mg/L 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Concentração na água intersticial do corpo-de-prova (mg/L)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
(c
m
)
0.5S-1
0.5S-2
1S-1
1S-2
Meio sulfúrico
Concentrações iniciais = 0,5 mg/L e 1 mg/L
(b)
0 100 200 300 400
Tempo (horas)
0
2
4
6
8
10
C
o
n
ce
n
tr
aç
ão
 n
o
 r
es
er
va
tó
ri
o
 (
m
g
/L
)
10S-1
10S-2
Meio sulfúrico
Concentração inicial = 10 mg/L
0 2 4 6 8 10
Concentração na água intersticial do corpo-de-prova (mg/L)
0
1
2
3
4
5
P
ro
fu
n
d
id
ad
e 
(c
m
)
10S-1
10S-2
Meio sulfúrico
Concentração inicial = 10 mg/L
(c)
Figura 6. Repetição dos ensaios de difusão: (a) meio nítrico, C0 = 1 mg/L;
(b) meio sulfúrico, C0 = 0,5 mg/L e1 mg/L; (c) meio sulfúrico, C0 = 10 mg/L
Tabela 2. Balanço de massas de urânio dos ensaios de difusão
CP 1N-
1
1N-
2
1N-
3
2N 5N 10N 15N 0,5S
-1
0,5S
-2
1S-
1
1S-
2
5S 10S-
1
10S-
2
Mi (mg) 183 222 437 789 867 23253526152 129 354 197 10801768 3386
Mf/Mr 0,02 0,02 0,04 0,01 0,02 0,12 0,01 0,12 0,04 1,02 0,97 0,60 0,97 0,95
Ma+s/Mi 0,04 0,02 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,02 0,02 0,03 0,06 0,09 0,09 0,07
Mr/Mi 0,94 0,96 0,95 0,99 0,97 0,86 0,98 0,86 0,93 -0,05 -0,03 0,31 -0,06 -0,02
Mi = massa inicial no reservatório, Mf = massa final no reservatório,
Ma+s = massa retirada na coleta de amostras + massa na água do solo, Mr = (Mi-Mf-Ma+s)
374
solo, embora superior à observada em meio
nítrico, representa menos do que 10% da massa
inicial no reservatório. Os cálculos indicam
que pode estar ocorrendo migração de urânio a
partir do solo para o reservatório, o que foi
observado também no ensaio “branco”.
4. CONCLUSÕES
A difusão é um importante mecanismo de
transporte de urânio em meio nítrico, ou em
meio sulfúrico a concentrações menores do que
1 mg/L, como mostram as curvas de
concentração no fluido do reservatório em
função do tempo. No entanto, o solo
aparentemente retém uma grande porcentagem
da massa de urânio que migra do reservatório
para o corpo-de-prova, e somente uma pequena
fração de massa inicial no reservatório pode
ser detectada na água intersticial do solo.
A difusão do urânio em meio sulfúrico é
mais lenta do que em meio nítrico, o que era
esperado em função do raio iônico. A
concentração no reservatório mantém-se
praticamente constante ao longo do ensaio para
concentrações maiores ou iguais a 1 mg/L.
Embora as concentrações de urânio na água do
solo sejam superiores às observadas em meio
nítrico, representam ainda uma pequena
parcela da massa inicial no reservatório. O
balanço de massas indica que inclusive pode
estar ocorrendo uma discreta migração de
urânio em sentido oposto, do solo para o
reservatório.
Pela associação dos efeitos observados,
pode-se concluir que a utilização do solo
estudado na construção do revestimento
impermeabilizante de reservatórios de
efluentes do processamento de urânio é
promissora.
A continuação da pesquisa deve focalizar a
influência do pH da solução na adsorção e na
difusão de urânio no solo estudado.
Para aplicações práticas, recomenda-se
utilizar amostras do próprio efluente nos
ensaios, com faixas reais de variação de
concentração e pH, e com a concorrência de
outros íons presentes em sua composição.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Analytical Methods Committee (1987).
Analyst 112 (199).
Barone, F.S.; Yanful, E.K.; Quigley, R.M. &
Rowe, R.K. (1989). Multiple contaminant
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Boscov, M.E.G. (1997). Contribuição ao
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Doutoramento, EPUSP, São Paulo.
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J.E.S. & Rodrigues, C. (1998). Difusão de
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Proc. SIGA98, CD-ROM, São Paulo.
Boscov, M. E. G.; Pereira Filho, W.; Sarkis,
J.E.S. & Rodrigues, C. (1999). Estudo de
transporte de urânio em argila latelítica
compactada. Proc. VII CFGEN, no prelo.
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