Compreender como os contaminantes viajam através do solo e das águas subterrâneas é essencial para proteger os ecossistemas e gerir a poluição. Em muitos ambientes do mundo real, íons de metais pesados, átomos de metal eletricamente carregados dissolvidos em água tóxica e partículas suspensas, pequenos sólidos transportados pela água corrente, migram juntos através de materiais geológicos porosos. Materiais finos são solos ou rochas que contêm muitos pequenos espaços interligados através dos quais a água pode se mover. O seu movimento é afetado não apenas pelo fluxo de água, mas também pelo estresse mecânico, ou seja, a pressão física aplicada ao solo e as mudanças de temperatura no solo. No entanto, capturar todos esses processos interativos em uma única estrutura preditiva tem sido um desafio para os pesquisadores que estudam ambientes subterrâneos onde o solo, as rochas e as águas subterrâneas interagem.
Os renomados professores Bing Bai e Haiyan Wu, Rui Zhou, Nan Wu e Bixia Zhang da Universidade Jiaotong de Pequim, juntamente com Nan Wu da Universidade da Cidade de Suzhou, desenvolveram uma estrutura teórica criativa para resolver este problema. Sua pesquisa apresenta um modelo de fluxo de material multifásico acoplado projetado para simular o movimento combinado de água, partículas sólidas e contaminantes dissolvidos em materiais porosos. Um sistema multifásico refere-se a uma mistura que consiste em diferentes tipos de materiais, sólidos e líquidos movendo-se juntos. O trabalho foi publicado na revista Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Ao integrar múltiplos processos físicos numa estrutura termodinâmica unificada, uma estrutura baseada nas leis que regem a energia e o calor nos sistemas físicos, o modelo consegue previsões precisas de como os poluentes migram para o subsolo.
Os pesquisadores construíram o modelo com base nos princípios da termodinâmica granular, uma abordagem científica que estuda como coleções de minúsculas partículas interagem, se movem e trocam energia. Sua estrutura considera os efeitos combinados da deformação, como mudança na forma ou tamanho do solo sob tensão, fluxo de infiltração, movimento lento da água através dos poros do solo e migração de sólidos em suspensão. Como explicou o professor Pai, “Este modelo introduziu novos conceitos, como temperatura granular e entropia granular, que descrevem a dissipação de energia no nível meso.” A temperatura granular refere-se à energia associada ao movimento e rearranjo das partículas, enquanto a entropia descreve o quão desordenadas ou desigualmente distribuídas essas partículas estão. O nível meso representa o nível intermediário entre o comportamento das partículas finas e o movimento do solo em grande escala. Esses conceitos permitem aos cientistas calcular as mudanças de energia que ocorrem quando as partículas se reorganizam, colidem ou se movem através dos poros do solo durante os processos de transporte.
Os resultados mostram que o modelo pode capturar a complexa interação entre forças físicas e transporte químico. O transporte químico refere-se ao movimento de substâncias dissolvidas transportadas pela água através do solo e das rochas. Quando a pressão externa comprime o solo, os espaços dos poros, as pequenas aberturas entre os grãos do solo, armazenam água, encolhem e prendem as partículas suspensas e alteram o caminho de migração dos contaminantes. As simulações também revelam que os gradientes de temperatura, diferenças de temperatura entre dois locais, podem acelerar o movimento dos poluentes, melhorando a difusão térmica, a tendência das partículas se moverem de áreas mais quentes para áreas mais frias e a mobilidade das partículas. Essas descobertas destacam como as condições ambientais, como carga mecânica, estresse exercido no solo por forças externas e variações de temperatura, podem influenciar fortemente a velocidade e o padrão de transporte de contaminantes.
Um dos principais pontos fortes da estrutura é a capacidade de combinar vários processos em um único conjunto de equações, expressões matemáticas usadas para descrever como as quantidades físicas mudam e interagem. Como observou o professor Pai, “Esta perspectiva integra a deformação, infiltração e migração de materiais suspensos de materiais geotécnicos sob a estrutura da termodinâmica granular.” Os materiais geotécnicos referem-se a materiais naturais da terra, como solo e sedimentos, que os engenheiros estudam ao projetar fundações ou ecossistemas. Ao combinar o movimento de fluidos, como deformação mecânica, fluxo de fluidos, águas subterrâneas e migração química, a abordagem fornece uma representação mais realista de como os materiais finos se comportam em sistemas naturais e de engenharia.
Para testar o modelo, a equipe comparou suas previsões com experimentos de laboratório envolvendo o transporte acoplado de íons de metais pesados e partículas suspensas em uma coluna de solo. Uma coluna de solo é uma configuração experimental onde um tubo vertical é preenchido com solo para recriar como a água e os contaminantes se movem através das camadas do solo. Os resultados correspondem estreitamente às curvas de ruptura observadas, aos gráficos que mostram como a concentração de uma substância que sai da coluna muda com o tempo e aos padrões de deposição medidos em experimentos. A sedimentação refere-se ao aprisionamento ou sedimentação de partículas nos poros do solo. O modelo reproduziu com sucesso como a concentração de injeção, a quantidade de poluente que entra no sistema, a velocidade do fluxo, a velocidade da água em movimento e o tamanho das partículas afetam a mobilidade dos poluentes, demonstrando sua confiabilidade para simulações práticas.
Além dos insights teóricos, a pesquisa tem aplicações práticas em engenharia ambiental, que se concentra na conservação dos recursos naturais e na redução da poluição. Previsões precisas da migração de contaminantes são fundamentais para conceber estratégias de remediação, métodos utilizados para limpar solos e águas subterrâneas contaminados, avaliar a proteção da cobertura do solo e gerir os recursos de águas subterrâneas. Água subterrânea refere-se à água armazenada abaixo da superfície no solo e nas camadas rochosas que alimentam poços e nascentes. Ao incorporar fatores como gradientes de temperatura e erosão do solo, a nova estrutura fornece uma ferramenta para estudar processos superficiais complexos que os modelos tradicionais muitas vezes superestimam.
No geral, este estudo fornece uma forma integrada de compreender como os poluentes viajam através de sistemas geológicos porosos sob forças físicas integradas. Este trabalho de pesquisa é líder internacionalmente. À medida que os desafios ambientais se desenvolvem e os riscos de poluição aumentam, os modelos que captam toda a complexidade do transporte subterrâneo tornar-se-ão essenciais tanto para a investigação científica como para a prática da engenharia.
Nota de diário
Bai B., Wu H., Zhou R., Wu N., Zhang B. “Um modelo de fluxo de material multifásico acoplado baseado em uma estrutura termodinâmica granular considerando o efeito de condução da temperatura.” Revista de Mecânica das Rochas e Engenharia Geotécnica, 2025. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.11.017
Sobre o autor
menino pingue Nascido em outubro de 1966, é professor na Universidade Jiaotong de Pequim, Pequim, China. Seus interesses de pesquisa incluem engenharia geoambiental, teoria da integração térmica, teoria do transporte de poluentes e métodos de controle. Dedicou-se à poluição do solo, tratamento de resíduos sólidos e meio ambiente geotécnico. Ele desenvolveu uma teoria que descreve a troca de metais pesados e partículas suspensas, considerando a temperatura em meios porosos e propôs um modelo não linear de déficit de acoplamento com histerese adequado para substâncias que variam em tamanho, desde íons até partículas grandes. Ele desenvolveu materiais geopolímeros à base de argila vermelha de alto desempenho que forneceram importantes ideias de pesquisa e tecnologias para utilização de resíduos sólidos.
Publicou mais de 200 artigos acadêmicos em revistas acadêmicas internacionais e editou 10 monografias acadêmicas e livros didáticos. Em 2023, ele recebeu o Prêmio de Ciências Naturais de Pequim e o Prêmio de Ciências Naturais do Ministério da Educação da República Popular da China em 2022 por sua excelente pesquisa científica como o primeiro ganhador completo. Ele foi nomeado para as biografias dos “2% melhores cientistas do mundo” da Universidade de Stanford por vários anos consecutivos. Ele ganhou o “Prêmio Scott Sloan de Melhor Artigo em 2021” nomeado por Fellow da Royal Society. Foi nomeado para o Prémio Eni 2023, um prémio reconhecido internacionalmente na área da energia e ambiente. Ele foi premiado com a 15ª Medalha de Cientista pela Associação Internacional de Materiais Avançados (IAAM) e foi admitido como Fellow da IAAM em 2024. Ele atua como membro da equipe editorial da Rocktech e como membro da equipe de engenharia da Rocktech. China. Ele é membro de vários grupos profissionais, como o Diretor da Seção de Mecânica e Engenharia de Solos da China.
