Cientistas e engenheiros trabalham em novas soluções para descontaminar solos

Sistemas que analisam comportamento de fluidos em meio poroso podem revolucionar conhecimento e gerar técnicas mais precisas para a recuperação de solos

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Recuperação de fósforo de esgoto doméstico na forma de cristais de estruvita – Foto: Jorge Maruta/USP Imagens

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Conhecer o comportamento de um fluido num meio poroso pode ser a chave para o desenvolvimento de técnicas que poderão melhorar a remediação de solos contaminados ou a extração de petróleo. “Estamos no caminho!”, comemora a professora Dione Mari Morita, do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental da Escola Politécnica (Poli) da USP. Dione lidera um grupo de pesquisa, formado por docentes e estudantes de graduação e de pós-graduação das áreas de Hidráulica, Computação, Microeletrônica e Construção Civil, que vem trabalhando no desenvolvimento de projetos voltados à remediação de solos e à recuperação de nutrientes do esgoto. “Uma das novidades é um modelo matemático que facilitará a compreensão do que acontece quando um fluido atravessa um meio poroso”, descreve. “Em outra frente, estamos conseguindo recuperar nitrogênio e fósforo do esgoto através da formação de estruvita, que é um mineral usado como fertilizante”, conta a professora.

A partir de um trabalho da professora Dione na recuperação de solo contaminado com plastificantes, numa indústria química do Estado de São Paulo, verificou-se a necessidade de melhor conhecer como se dava o escoamento de fluidos entre a superfície do solo e o lençol freático (tecnicamente denominada zona vadosa). “Inicialmente, desenvolvemos um micromodelo, que representava os canais existentes num solo real quanto às suas dimensões, geometria e cargas elétricas. Este micromodelo foi fabricado com a colaboração do professor Marcelo Nelson Páez Carreño, do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Poli. Com o micromodelo, foi possível visualizar o que acontecia nos poros do solo, mas faltava quantificar tais efeitos”, conta Dione.

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Uma metodologia inovadora, abrangente e precisa

Para quantificar o que se visualizava no micromodelo, o engenheiro civil Fábio Cunha Lofrano desenvolveu, em sua tese de doutorado, um modelo matemático capaz de descrever o comportamento do escoamento de fluidos na microescala (na escala dos nanômetros e não visíveis a olho nu) de meios porosos. “Tínhamos, até então, informações sobre o escoamento na macroescala, mas o que nos faltava era um equacionamento na microescala que tornasse as duas compatíveis”, descreve Lofrano.

Com a orientação dos professores Dione, Podalyro Amaral de Souza e Fernando Akira Kurokawa, o engenheiro elaborou seu modelo com base na Teoria da Informação e no Princípio da Entropia Máxima. Tal teoria e princípio foram desenvolvidos para analisar a qualidade da transmissão de uma mensagem enviada de uma fonte a um destinatário, logo após a Segunda Guerra Mundial. “Obtivemos então uma distribuição de probabilidade das velocidades do fluido na microescala e, assim, foi possível construir uma ponte entre a micro e a macroescala”, explica Lofrano.

De acordo com o professor Podalyro Amaral de Souza, do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental da Poli, o conhecimento gerado nas pesquisas de Lofrano poderá ser aplicado em situações diversas, como na exploração de petróleo, no saneamento básico, na biologia, na medicina, na ciência dos materiais, etc. “Há muito que a ciência busca soluções nesse sentido”, comemora o docente. De acordo com o professor Amaral de Souza, estudos sobre escoamento no meio poroso baseados na teoria da informação e no princípio da entropia máxima são ainda inéditos.
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Para uma solução definitiva

O trabalho de Lofrano é básico e, para a sua aplicação definitiva, ainda serão necessários desenvolvimentos posteriores, como o de ferramentas computacionais que viabilizem o uso do modelo. Nesse sentido, o professor Fernando Akira Kurokawa, do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Poli, está trabalhando com a equipe para que se desenvolva uma modelagem computacional eficiente. “Já existem ferramentas computacionais consagradas de escoamento de fluidos na zona saturada do solo. Entretanto, na zona vadosa, ainda eles são incipientes. Segundo ele, novos estudos devem ser feitos para que esse novo modelo matemático seja transformado a ponto de ser aplicado computacionalmente. “Pensando num futuro próximo, teremos então softwares que serão capazes de gerar modelos de como os fluidos se comportam na zona vadosa”, descreve.

Fernando Kurokawa, Fábio Lofrano, Dione Morita, Renan Avila e Podalyro Souza – Foto: Jorge Maruta/USP Imagens

Fósforo em escassez

Uma outra linha de pesquisa da professora Dione, desenvolvida desde 2010, é a recuperação de nutrientes (nitrogênio, fósforo e potássio) do esgoto. Segundo ela, estudos de instituições internacionais mostram que ocorrerá um aumento no uso de fertilizantes no futuro, devido ao crescimento da população mundial, devido ao aumento no consumo de alimento per capita e às alterações da dieta nos países subdesenvolvidos e em desenvolvimento. A principal fonte de fósforo para a produção de fertilizantes é a rocha fosfatada, cujas reservas durarão no máximo 400 anos. Quanto ao nitrogênio, apesar de a atmosfera ser uma fonte ilimitada, a sua transformação em fertilizantes nitrogenados necessita de uma alta quantidade de energia. Assim, a recuperação desses elementos tornou-se uma prioridade global.

Uma das formas de recuperar o fósforo e o nitrogênio do esgoto é cristalizando-os com sais de magnésio, transformando-os em estruvita, que é um fertilizante e que possui as seguintes vantagens: (a) sua liberação é lenta, o que diminui a necessidade de aplicação e também reduz o problema da eutrofização dos corpos d’água; (b) contém concentrações de metais pesados muito menores do que os fertilizantes comerciais e (c) a aplicação de fósforo, nitrogênio e magnésio no solo é simultânea.
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Cristais de estruvita – Foto: Jorge Maruta/USP Imagens

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“Já conseguimos obter estruvita de boa qualidade e, neste caso, era necessário otimizar o processo para diferentes tipos de águas residuárias (esgoto, urina, suinocultura, indústria alimentícia, etc.)”, comenta Dione. Com este objetivo, o aluno de graduação Renan de Luca Avila, partindo de um sistema complexo de equações decorrentes da especiação e precipitação química da estruvita, desenvolveu uma plataforma web, usando tecnologias modernas como cloud computing e Python, para prever as condições ótimas de formação da estruvita.

A plataforma já está há quatro meses disponibilizada na internet (www.estruvitapoli.com), mas com acesso restrito. “A partir da inscrição em nossa plataforma, o usuário poderá inserir as características da água residuária e encontrar as condições ideais para a produção do mineral”, descreve Avila. “A estruvita ainda não é devidamente produzida no Brasil. Mas esperamos que nossa plataforma ajude a alterar esta realidade”, diz Avila. Os interessados em se inscrever na plataforma devem enviar mensagem para o endereço renan.avila@usp.br.

Mais informações: e-mail renan.avila@usp.br

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