Descrição

Geoquímica de águas subterrâneas - Um guia prático de modelagem de sistemas aquáticos naturais e contaminados continua sendo um livro-texto abrangente com conteúdo teórico e exercícios práticos de modelagem geoquímica resolvidos com o PHREEQC, útil tanto àqueles que desejam se iniciar no assunto como aos mais experientes em modelagem.

As descrições detalhadas de como resolver cada problema guiam o leitor passo a passo desde a modelagem hidrogeoquímica mais simples até as mais avançadas.

Os exemplos de modelagem de transporte reativo incluem o 1D do PHREEQC e também o código 3D PHAST acoplado com a interface gráfica de usuário WPHAST. A inclusão de incertezas dos dados termodinâmicos é possível com o programa LJUNGSKILE.

PREFÁCIO – 11

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS – 13
1.1. Equilíbrio de reações – 13
1.1.1. Introdução – 13
1.1.2. Fundamentos de termodinâmica – 17
1.1.2.1. Lei da ação das massas – 17
1.1.2.2. Energia livre de Gibbs – 19
1.1.2.3. Regra das fases de Gibbs – 19
1.1.2.4. Atividade – 20
1.1.2.5. Força iônica – 22
1.1.2.6. Cálculo do coeficiente de atividade – 22
1.1.2.6.1. Teoria da associação iônica – 22
1.1.2.6.2. Teoria da interação iônica – 25
1.1.2.7. Comparação entre as teorias da associação e interação iônica – 26
1.1.3. Interações na interface gás-líquido – 29
1.1.3.1. Lei de Henry – 29
1.1.4. Interações na interface das fases sólido-líquido – 31
1.1.4.1. Dissolução e precipitação – 31
1.1.4.1.1. Produto de solubilidade – 31
1.1.4.1.2. Índice de saturação – 34
1.1.4.1.3. Fases minerais limitantes – 34
1.1.4.2. Sorção – 36
1.1.4.2.1. Substâncias hidrofóbicas-hidrofílicas – 37
1.1.4.2.2. Troca iônica – 37
1.1.4.2.3. Descrição matemática da sorção – 42
1.1.5. Interações na fase líquida – 47
1.1.5.1. Complexação – 47
1.1.5.2. Processos redox – 49
1.1.5.2.1. Medição do potencial redox – 49
1.1.5.2.2. Cálculo do potencial redox – 50
1.1.5.2.3. Apresentação em diagramas de predominância – 54
1.1.5.2.4. Tampão redox – 58
1.1.5.2.5. Significado das reações redox – 59
1.2. Cinética – 61
1.2.1. Cinética de vários processos químicos – 61
1.2.1.1. Meia-vida – 61
1.2.1.2. Cinética de dissolução de minerais – 62
1.2.2. Cálculo da velocidade de reação – 63
1.2.2.1. Reações em série – 64
1.2.2.2. Reações paralelas – 65
1.2.3. Fatores que controlam a velocidade de reações – 65
1.2.4. Abordagens empíricas para reações com controle cinético – 67
1.3. Transporte de constituintes reativos – 69
1.3.1. Introdução – 69
1.3.2. Modelos de fluxo – 69
1.3.3. Modelos de transporte – 70
1.3.3.1. Definição – 70
1.3.3.2. Condições de transporte idealizadas – 72
1.3.3.3. Condições de transporte reais – 72
1.3.3.3.1. Troca em aquíferos com porosidade dupla – 73
1.3.3.4. Métodos numéricos para modelar o transporte – 76
1.3.3.4.1. Método das diferenças finitas/elementos finitos – 76
1.3.3.4.2. Métodos acoplados – 77

2. PROGRAMAS DE MODELAGEM GEOQUÍMICA – 81
2.1. Geral – 81
2.1.1. Algoritmos geoquímicos – 81
2.1.2. Programas baseados na minimização da energia livre – 84
2.1.3. Programas baseados em constantes de equilíbrio – 84
2.1.3.1. PHREEQC – 85
2.1.3.2. EQ 3/6 – 86
2.1.4. Bancos de dados termodinâmicos – 89
2.1.4.1. Geral – 89
2.1.4.2. Estrutura dos bancos de dados termodinâmicos – 91
2.1.5. Problemas e fontes de erros na modelagem geoquímica – 93
2.2. Uso do PHREEQC – 97
2.2.1. A estrutura do PHREEQC e suas interfaces gráficas de usuário – 97
2.2.1.1. Input – 100
2.2.1.2. Banco de dados – 107
2.2.1.3. Output – 108
2.2.1.4. GRID – 109
2.2.1.5. CHART – 110
2.2.2. Exemplos introdutórios de modelagem no PHREEQC – 110
2.2.2.1. Equilíbrio de reações – 110
2.2.2.1.1. Exemplo 1a: Saída-padrão - Análise de água do mar – 110
2.2.2.1.2. Exemplo 1b: Equilíbrio - Dissolução de gipsita – 113
2.2.2.1.3. Exemplo 1c: Equilíbrio - Dissolução de calcita na presença de CO2 – 115
2.2.2.1.4. Exemplo 1d: Modelagem de incertezas - LJUNGSKILE – 116
2.2.2.2. Exemplo introdutório de sorção – 120
2.2.2.3. Exemplos introdutórios de cinética – 128
2.2.2.3.1. Definição de velocidades de reação – 129
2.2.2.3.2. BASIC no PHREEQC – 131
2.2.2.4. Exemplo introdutório de fracionamento isotópico – 136
2.2.2.5. Exemplos introdutórios para o transporte de constituintes reativos – 140
2.2.2.5.1. Transporte 1D simples: experimento em coluna – 140
2.2.2.5.2. Transporte 1D, diluição e complexação superficial numa mina de urânio abandonada – 144
2.2.2.5.3. Transporte 3D com PHAST – 149

3. EXERCÍCIOS – 155
3.1. Equilíbrio de reações – 157
3.1.1. Água subterrânea - Litosfera – 157
3.1.1.1. Saída-padrão de análise de água de poço – 157
3.1.1.2. Equilíbrio de reação - Solubilidade de gipsita – 158
3.1.1.3. Desequilíbrio de reação - Solubilidade de gipsita – 158
3.1.1.4. Solubilidade de gipsita em água de poço em função da temperatura – 159
3.1.1.5. Solubilidade de gipsita em água pura em função da temperatura – 159
3.1.1.6. Solubilidade de calcita em função da temperatura e da pressão parcial de CO2 – 159
3.1.1.7. Precipitação de calcita e dissolução de dolomita – 159
3.1.1.8. Solubilidade de calcita em sistema aberto e fechado – 160
3.1.1.9. Intemperismo de pirita – 160
3.1.2. Atmosfera - Água subterrânea - Litosfera – 161
3.1.2.1. Precipitação sob a influência do CO2 do solo – 161
3.1.2.2. Sistemas-tampão em solos – 161
3.1.2.3. Precipitação de minerais em nascentes sulfurosas quentes – 162
3.1.2.4. Formação de estalactites em cavernas cársticas – 162
3.1.2.5. Evaporação – 163
3.1.3. Água subterrânea – 164
3.1.3.1. O diagrama pE-pH do sistema ferro – 164
3.1.3.2. O diagrama pE-pH do ferro na presença de carbono e enxofre – 167
3.1.3.3. As espécies de urânio em função do valor de pH – 167
3.1.4. Origem da água subterrânea – 168
3.1.4.1. Bombeamento de água subterrânea fóssil em regiões áridas – 169
3.1.4.2. Interface água salina-água doce – 171
3.1.5. Uso antrópico da água subterrânea – 172
3.1.5.1. Ensaio: titulação de Ca com EDTA – 172
3.1.5.2. Agressividade do ácido carbônico – 172
3.1.5.3. Tratamento de água por aeração - Água de poço – 173
3.1.5.4. Tratamento de água por aeração - Nascente sulfurosa – 173
3.1.5.5. Mistura de águas – 174
3.1.6. Reabilitação de águas subterrâneas – 174
3.1.6.1. Redução de nitrato com metanol – 174
3.1.6.2. Barreiras de Fe(0) – 174
3.1.6.3. Aumento do pH com uma barreira de calcita – 175
3.2. Cinética de reações – 175
3.2.1. Intemperismo de pirita – 175
3.2.2. Dissolução de quartzo e feldspato – 176
3.2.3. Degradação da matéria orgânica do aquífero por redução de elementos sensíveis à oxirredução (Fe, As, U, Cu, Mn, S) – 176
3.2.4. Degradação de trítio na zona insaturada – 177
3.3. Transporte reativo – 181
3.3.1. Lisímetro – 181
3.3.2. Descarga de nascente cárstica – 182
3.3.3. Carstificação (corrosão ao longo de uma fratura de carste) – 183
3.3.4. Aumento de pH de água ácida de mina – 183
3.3.5. Lixiviação in situ – 185
3.3.6. Transporte 3D - Pluma de contaminação de urânio e arsênio – 186

4. SOLUÇÕES – 189
4.1. Equilíbrio de reações – 189
4.1.1. Água subterrânea - Litosfera – 189
4.1.1.1. Saída-padrão de análise de água de poço – 189
4.1.1.2. Equilíbrio de reação - Solubilidade de gipsita – 191
4.1.1.3. Desequilíbrio de reação - Solubilidade de gipsita – 191
4.1.1.4. Solubilidade de gipsita em água de poço em função da temperatura – 192
4.1.1.5. Solubilidade de gipsita em água pura em função da temperatura – 193
4.1.1.6. Solubilidade de calcita em função da temperatura e da P(CO2) – 193
4.1.1.7. Precipitação de calcita e dissolução de dolomita – 194
4.1.1.8. Comparação da solubilidade de calcita em sistema aberto e fechado – 195
4.1.1.9. Intemperismo de pirita – 195
4.1.2. Atmosfera - Água subterrânea - Litosfera – 197
4.1.2.1. Precipitação sob a influência de CO2 do solo – 197
4.1.2.2. Sistemas tamponantes no solo – 197
4.1.2.3. Precipitação de minerais em nascentes sulfurosas quentes – 198
4.1.2.4. Formação de estalactites em cavernas cársticas – 199
4.1.2.5. Evaporação – 199
4.1.3. Água subterrânea – 200
4.1.3.1. O diagrama pE-pH do sistema ferro – 200
4.1.3.2. O diagrama pE-pH do Fe considerando carbono e enxofre – 202
4.1.3.3. Espécies de urânio em função do valor de pH – 203
4.1.4. Origem de água subterrânea – 204
4.1.4.1. Bombeamento de água subterrânea fóssil em regiões áridas – 204
4.1.4.2. Interface água salina-água doce – 205
4.1.5. Uso antrópico de água subterrânea – 206
4.1.5.1. Amostragem: titulação de Ca com EDTA – 206
4.1.5.2. Agressividade de ácido carbônico – 207
4.1.5.3. Tratamento de água por aeração - Água de poço – 207
4.1.5.4. Tratamento de água por aeração - Nascente sulfurosa – 207
4.1.5.5. Mistura de águas – 209
4.1.6. Reabilitação de águas subterrâneas – 210
4.1.6.1. Redução de nitrato com metanol – 210
4.1.6.2. Barreiras de Fe(0) – 211
4.1.6.3. Aumento de pH com uma barreira de calcita – 212
4.2. Cinética de reações – 212
4.2.1. Intemperismo de pirita – 212
4.2.2. Dissolução de quartzo e feldspato – 215
4.2.3. Degradação de matéria orgânica no aquífero por redução de elementos sensíveis à oxirredução (Fe, As, U, Cu, Mn, S) – 216
4.2.4. Degradação de trítio na zona insaturada – 219
4.3. Transporte reativo – 220
4.3.1. Lisímetro – 220
4.3.2. Descarga de nascente cárstica – 221
4.3.3. Carstificação (corrosão ao longo de uma fratura de carste) – 222
4.3.4. Aumento de pH numa água ácida de mina – 223
4.3.5. Lixiviação in situ – 225
4.3.6. Transporte 3D - Pluma de contaminação de urânio e arsênio – 227

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS – 229
ÍNDICE REMISSIVO – 237

Autores: Broder J. Merkel e Britta Planer-Friedrich
Ano: 2012
Número de Páginas: 248
Tamanho: 21 x 28 cm
Editora: Unicamp
Acabamento: Brochura
ISBN: 978-85-268-0933-8