A Necessidade de Mistura
No livro “Processos Químicos e Biológicos: A Necessidade de Mistura”, de Perry L. McCarty e Craig S. Criddle, no seu capítulo 2, aborda a relevância fundamental da mistura (“homogeneização”, ainda que num limite prático) para que as transformações químicas e biológicas ocorram, especialmente no contexto da remediação de águas subterrâneas contaminadas.
Layout típico de remediação in situ. - vertexenvironmental.ca
O texto inicia explicando que a maioria das transformações químicas e biológicas exige a união de duas ou mais substâncias. Em ambientes de água subterrânea, essa união raramente acontece de forma natural. Por isso, a adição e a mistura de reagentes tornam-se um dos aspectos mais desafiadores e onerosos da remediação in situ. O capítulo aprofunda-se nos requisitos químicos e biológicos necessários para a transformação, destruição ou remoção eficaz de contaminantes.
Em seguida, o documento apresenta os contaminantes mais frequentemente encontrados em águas subterrâneas em locais de resíduos perigosos, classificando-os em orgânicos (como solventes clorados e compostos BTEX)[Nota 1] e inorgânicos (metais como chumbo e cromo). São discutidas as propriedades físico-químicas desses contaminantes, como densidade, solubilidade em água, constante da Lei de Henry[Nota 2] e coeficiente de partição octanol-água[Nota 3], e como essas características influenciam seu movimento e destino na água subterrânea.
A seção 2.3 explora em detalhes os processos de reação e transferência de massa. É ressaltada a importância da estequiometria para determinar as quantidades corretas de produtos e reagentes nas transformações. O capítulo descreve diversas reações, incluindo ácido-base, oxidação-redução (com exemplos de doadores e aceptores de elétrons), precipitação, solubilização, volatilização, sorção, advecção e difusão-dispersão, explicando sua relevância nos processos de remediação.
A cinética da reação também é abordada, diferenciando reações homogêneas e heterogêneas e discutindo como fatores como temperatura e inibidores afetam as taxas de reação. São apresentadas diferentes expressões para a taxa de reação, como primeira ordem, segunda ordem, ordem zero e reações mais complexas como as equacionáveis pela equação de Monod[Nota 4], com foco na modelagem de processos em águas subterrâneas.
A seção 2.4 concentra-se nos processos biológicos, destacando que muitos poluentes orgânicos persistentes (POPs) e alguns inorgânicos podem ser transformados biologicamente. É enfatizada a importância do crescimento microbiano e a necessidade de nutrientes minerais para o sucesso das reações biológicas. A estequiometria de reações biológicas é ilustrada com um exemplo da transformação de benzoato pela redução de nitrato. O texto compara diferentes reações energéticas envolvendo acetato, mostrando que a oxidação aeróbica gera a maior energia e a metanogênese a menor, o que explica as taxas lentas de crescimento de microrganismos anaeróbios.
Especificamente para solventes clorados, o capítulo descreve como alguns podem ser biodegradados aerobicamente, enquanto outros, como PCE, TCE e TCA, são transformados anaerobicamente por desalogenação redutiva. O papel do H₂ como doador de elétrons é sublinhado nesse processo.
Finalmente, a cinética das reações biológicas é detalhada por meio da cinética de Monod, que descreve a taxa de utilização do substrato e a taxa de crescimento dos organismos. O conceito de Sm (concentração mínima de substrato para crescimento líquido positivo) é introduzido, e a importância da transferência de massa (difusão) nas taxas de reação é destacada, especialmente em biofilmes, onde pode se tornar o fator limitante.
Possíveis Áreas de Desenvolvimento
Aqui estão algumas ideias que podem ser exploradas, baseadas no resumo apresentado:
Novas Tecnologias e Métodos de Mistura In Situ:
Inovação em Sistemas de Injeção: Discutir avanços em tecnologias de injeção de reagentes que otimizem a distribuição e a mistura no subsolo (e.g., injeção pulsada, poços horizontais, técnicas de fraturamento hidráulico assistido).
Mistura Eletrocinética ou Ultrasônica: Explorar tecnologias emergentes ou não convencionais que poderiam melhorar a mobilidade de contaminantes e a interação com reagentes em matrizes complexas de solo e água.
Modelagem e Simulação Avançada:
Modelos de Transporte e Reação 3D: Aprofundar como softwares de modelagem (como MODFLOW com módulos de transporte de solutos) podem ser aprimorados para prever com mais precisão a distribuição de reagentes e as taxas de reação em diferentes condições geológicas.
Integração de Modelos Biocinéticos: Detalhar a incorporação de modelos como o de Monod em simulações complexas, considerando a heterogeneidade microbiana e as limitações de transferência de massa em biofilmes.
Caracterização do Local e Heterogeneidade:
Técnicas Avançadas de Caracterização: Abordar novas abordagens para mapear a heterogeneidade do subsolo (e.g., geofísica de alta resolução, técnicas de amostragem em tempo real) e como essa informação pode otimizar as estratégias de mistura e injeção.
Impacto da Heterogeneidade na Eficiência: Discutir como a variação nas propriedades do solo (permeabilidade, porosidade) afeta diretamente a capacidade de misturar reagentes e, consequentemente, a eficácia da remediação.
Otimização de Reagentes e Processos Biológicos:
Novos Reagentes para Remediação: Pesquisar o desenvolvimento de reagentes mais eficientes, menos tóxicos ou mais sustentáveis para degradação de contaminantes específicos (e.g., nanopartículas, enzimas imobilizadas).
Bioaumentação e Bioestimulação Direcionadas: Focar em estratégias para otimizar o crescimento e a atividade de microrganismos específicos, talvez com a adição de comunidades microbianas adaptadas ou a manipulação precisa das condições ambientais.
Monitoramento e Validação da Remediação:
Ferramentas de Monitoramento em Tempo Real: Discutir o uso de sensores avançados e técnicas de monitoramento para avaliar a distribuição dos reagentes e a progressão da degradação dos contaminantes em tempo real, permitindo ajustes no processo.
Indicadores Biológicos e Químicos: Aprofundar-se em quais indicadores específicos (metabolitos, genes microbianos, Eh/pH) podem ser usados para confirmar que as reações desejadas estão ocorrendo de forma eficaz no subsolo.
Análise de Custo-Benefício e Sustentabilidade:
Otimização Econômica: Analisar como as diferentes estratégias de mistura e injeção afetam os custos totais da remediação, buscando o equilíbrio entre eficiência e viabilidade econômica.
Avaliação do Ciclo de Vida (ACV): Estudar o impacto ambiental de diferentes abordagens de remediação, considerando não apenas a remoção dos contaminantes, mas também o consumo de energia, a geração de resíduos e a pegada de carbono dos processos de mistura e injeção.
Este tema é dinâmico e crucial para a gestão de recursos hídricos e a recuperação de áreas degradadas. Há sempre espaço para inovações que tornem os processos mais eficientes, econômicos e sustentáveis.
Notas
1.Compostos BTEX é uma sigla que representa um grupo de compostos orgânicos voláteis (COVs) encontrados em combustíveis como a gasolina, sendo os compostos orgânicos aromáticos (benzênicos) correspondendo ao benzeno, o tolueno, o etilbenzeno e os xilenos (incluindo orto-, meta- e para-xilenos), sendo, portanto, os compostos com um anel benzênico podendo estar acrescidos de um ou dois radicais metila ou um radical etila, os tornando os mais perigosos e tóxicos. Esses compostos são frequentemente encontrados em vazamentos e derramamentos de petróleo e seus derivados, tornando-os importantes contaminantes a serem monitorados em áreas de produção e armazenamento de combustíveis.
2.A constante da Lei de Henry, muitas vezes representada como kH, é um valor que relaciona a solubilidade de um gás em um líquido com a pressão parcial desse gás acima do líquido. Em termos simples, ela indica quão bem um gás se dissolve em um determinado líquido em uma determinada temperatura.
3.O coeficiente de partição octanol-água (Kow) é uma medida da lipofilicidade (afinidade por gordura) de uma substância, comparando sua concentração em n-octanol (um solvente orgânico) com sua concentração em água, em um sistema bifásico. É um parâmetro importante para entender como substâncias químicas se distribuem em diferentes ambientes e organismos, e é amplamente utilizado em estudos ambientais e farmacêuticos.
4.A equação de Monod é um modelo cinético que descreve o crescimento de microrganismos em função da concentração de um substrato limitante. É uma ferramenta fundamental em biotecnologia e estudos de crescimento microbiano, especialmente em processos fermentativos.
Em resumo, a equação de Monod relaciona a taxa de crescimento específico de um microrganismo (μ) com a concentração do substrato limitante (S) e a constante de Monod (Ks), que representa a concentração de substrato onde a taxa de crescimento é metade da máxima:
μ = (μmax * S) / (Ks + S)
Referências
P.K. Kitanidis and P.L. McCarty (eds.), [http://www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9781461422389-c1.pdf?SGWID=0-0-45-1321838-p174267074 CHAPTER 2 CHEMICAL AND BIOLOGICAL PROCESSES: THE NEED FOR MIXING]; Delivery and Mixing in the Subsurface: Processes and Design Principles for In Situ Remediation, doi: 10.1007/978-1-4614-2239-6_2, # Springer Science+Business Media New York 2012.
Outra fonte deste artigo:
[ https://pdfs.semanticscholar.org/e83b/87ef35c0482d70f78785c2046e6b7d525e58.pdf
NOS MEUS ARQUIVOS: [ CHEMICAL AND BIOLOGICAL PROCESSES - THE NEED FOR MIXING ]
https://drive.google.com/file/d/0ByEMpY80-Ihad3FLQ0ZoNm43NWs/
Equação de Monod - pt.wikipedia.org (Artigo da Wikipédia editado por esses autores, garantindo qualidade.)
Groundwater Recirculation for More Efficient Site Remediation - https://vertexenvironmental.ca/2020/02/20/groundwater-recirculation-for-more-efficient-site-remediation/
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