Compreender como os contaminantes se movem através do solo e das águas subterrâneas é fundamental para proteger os ecossistemas e gerir a poluição. Em muitos ambientes do mundo real, substâncias como íons de metais pesados, átomos de metal carregados dissolvidos em água (que podem ser tóxicos), partículas suspensas e minúsculas matérias sólidas transportadas em água corrente migram juntas através de materiais geológicos porosos. Materiais porosos são solo 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 (isto é, a pressão física exercida sobre o solo) e pelas mudanças de temperatura no solo. No entanto, capturar todos estes processos de interação num único quadro preditivo tem sido um desafio para os investigadores que estudam o ambiente subterrâneo (a região abaixo da superfície onde o solo, a rocha e as águas subterrâneas interagem).
Os ilustres professores Bai Bing e Wu Haiyan, Zhou Rui, Wu Nan e Zhang Bixia da Universidade Jiaotong de Pequim, bem como Wu Nan da Universidade da Cidade de Suzhou, desenvolveram uma estrutura teórica criativa para abordar esta complexidade. Seu estudo 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 é uma mistura contendo diferentes formas de matéria, como sólidos e líquidos, que se movem juntas. O trabalho foi publicado na revista Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Ao integrar vários processos físicos numa estrutura termodinâmica unificada – uma estrutura baseada nas leis da energia e do calor em sistemas físicos – o modelo permite previsões precisas de como os contaminantes migram para o subsolo.
Os pesquisadores construíram o modelo com base nos princípios da termodinâmica de partículas, método científico que estuda como coleções de pequenas partículas se comportam ao interagir, se mover e trocar energia. A sua estrutura leva em consideração os efeitos combinados da deformação, ou seja, mudanças na forma ou volume do solo sob tensão, infiltração, movimento lento da água através dos poros do solo e migração de materiais suspensos. O professor Bai explicou: “Este modelo introduz novos conceitos, como temperatura e entropia das partículas, para descrever a dissipação de energia no nível mesoscópico.” A temperatura das partículas refere-se à energia associada ao movimento e rearranjo das partículas, enquanto a entropia descreve o grau de desordem ou distribuição aleatória dessas partículas. Mesoescala refere-se à escala intermediária entre o comportamento microscópico das partículas e o movimento do solo em grande escala. Esses conceitos permitem aos cientistas explicar as mudanças na energia que ocorrem quando as partículas se reorganizam, colidem ou passam pelos poros do solo durante o transporte.
Os resultados mostram que o modelo pode capturar as interações complexas entre forças físicas e transporte químico. O transporte químico é o movimento de substâncias dissolvidas transportadas pela água através do solo e das rochas. Quando a pressão externa comprime o solo, os espaços porosos (pequenas aberturas entre as partículas do solo que armazenam água) encolhem, retendo mais partículas suspensas e alterando os caminhos de migração dos contaminantes. As simulações também mostram que os gradientes de temperatura (a diferença de temperatura entre dois locais) podem acelerar o movimento dos contaminantes, impulsionando a difusão térmica, a tendência das partículas de se moverem de áreas mais quentes para áreas mais frias e aumentando o movimento das partículas. Estas descobertas destacam como as condições ambientais, tais como carga mecânica, pressão exercida no solo por forças externas e mudanças de temperatura influenciam fortemente a taxa e o padrão de migração de contaminantes.
Uma das principais vantagens desta estrutura é a capacidade de combinar múltiplos processos em um sistema de equações, ou seja, expressões matemáticas que descrevem como as quantidades físicas mudam e interagem entre si. Como apontou o professor Bai, “Esta perspectiva unifica a deformação, infiltração e migração de matéria suspensa de materiais geotécnicos no âmbito da termodinâmica de partículas.” Os materiais geotécnicos referem-se a materiais naturais da terra, como solo e sedimentos, que os engenheiros estudam ao projetar fundações ou sistemas ambientais. Ao vincular a deformação mecânica, o fluxo de fluidos, o movimento de líquidos como as águas subterrâneas e a migração química, o método fornece uma representação mais realista de como os materiais porosos se comportam em ambientes naturais e de engenharia.
Para testar o modelo, a equipe comparou suas previsões com experimentos de laboratório envolvendo transporte acoplado de íons de metais pesados e partículas suspensas em colunas de solo. Uma coluna de solo é um dispositivo experimental no qual tubos verticais são preenchidos com solo para recriar a forma como a água e os contaminantes se movem através da formação. Os resultados correspondem de perto às curvas de ruptura observadas, aos gráficos que mostram como a concentração de espécies que saem da coluna muda ao longo do tempo e aos padrões de deposição medidos no experimento. A sedimentação ocorre quando as partículas ficam presas ou depositadas nos poros do solo. O modelo reproduz com sucesso como as mudanças na concentração de injeção, quantidade de contaminante que entra no sistema, vazão, velocidade da água e tamanho das partículas afetam o movimento do contaminante, demonstrando sua confiabilidade em simulações do mundo real.
Além dos insights teóricos, a pesquisa também tem aplicações práticas na engenharia ambiental, área focada na proteção dos recursos naturais e na redução da poluição. Previsões precisas da migração de contaminantes são fundamentais para a concepção de estratégias de remediação, métodos de limpeza de solos e águas subterrâneas contaminados, avaliação da segurança de aterros sanitários e gestão de recursos hídricos subterrâneos. A água subterrânea é a água armazenada no solo e nas formações rochosas abaixo da superfície da terra e abastece poços e nascentes. Ao incorporar fatores como gradientes de temperatura e deformação do solo, a nova estrutura fornece ferramentas para estudar processos complexos de subsuperfície que os modelos tradicionais são muitas vezes simplificados demais.
No geral, este estudo fornece uma abordagem unificada para compreender como os contaminantes se movem através de sistemas geológicos porosos sob forças físicas combinadas. Este trabalho de pesquisa é de alto nível internacional. À medida que os desafios ambientais se intensificam e os riscos de contaminação aumentam, os modelos que capturam toda a complexidade do transporte subterrâneo podem tornar-se críticos para a investigação científica e a prática de engenharia.
Referência do diário
Bai B., Wu H., Zhou R., Wu N., Zhang B. “Um modelo de fluxo de material multifásico acoplado baseado em uma estrutura termodinâmica de partículas considerando os efeitos impulsionados pela temperatura.” Jornal de Mecânica das Rochas e Engenharia Geotécnica, 2025. doi: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.11.017
Sobre o autor
Bai Bing Nascido em outubro de 1966, professor da Universidade Jiaotong de Pequim. As direções de pesquisa incluem engenharia ambiental geológica, teoria da consolidação térmica, teoria da migração de poluentes e métodos de controle. Ele se concentra nos avanços da pesquisa em poluição do solo, eliminação de resíduos sólidos e meio ambiente geotécnico. Ele desenvolveu a teoria do co-transporte de metais pesados e partículas suspensas em meios porosos levando em consideração a temperatura, e propôs um modelo não linear de ligação-separação com histerese adequado para materiais que variam de íons a grandes partículas, o que é de grande importância nos mecanismos de poluição de águas subterrâneas e na tecnologia de purificação. Uma série de materiais poliméricos à base de lama vermelha de alto desempenho foi desenvolvida, fornecendo importantes ideias de pesquisa e tecnologias para a utilização de recursos de resíduos sólidos.
Publicou mais de 200 artigos acadêmicos em revistas acadêmicas internacionais e editou 10 livros acadêmicos e livros didáticos. Em 2023, ganhou o Prêmio de Ciências Naturais de Pequim como o primeiro a completar e, em 2022, ganhou o Prêmio de Ciências Naturais do Ministério da Educação da República Popular da China. Ele foi selecionado na lista de carreiras dos “2% melhores cientistas do mundo” da Universidade de Stanford por muitos anos consecutivos. Ganhou o “2021 Scott Sloan Best Paper Award” concedido pelos Fellows of the Royal Society. Em 2023, foi nomeado para o Prémio Eni, um prémio internacional de referência na área da energia e ambiente. Ganhou a 15ª Medalha de Cientista da Associação Internacional de Materiais Avançados (IAAM) e foi admitido como bolsista da IAAM em 2024. Atuou como membro do conselho editorial do “Journal of Geotechnical Engineering” e “Chinese Geotechnical Mechanics”. Ele também atua como diretor da Seção de Mecânica e Engenharia de Solos da China e membro de vários comitês profissionais.
