Andre Luis de Souza1 (andresouza@cetrel.com.br), Andreia Cristiane Teodoro1, Maiara Ap. do Prado Almeida Pillon1, Patricia Lupi Guimaraes1.
1. Cetrel S/A
Resumo
As espumas de surfactantes para remediação ambiental têm se destacado como uma tecnologia promissora, em meios heterogêneos, onde os métodos convencionais apresentam limitações. Este estudo revisa a literatura sobre a aplicação de espumas de surfactantes em diversos processos de remediação. Os primeiros trabalhos com espumas provêm de atividades de extração de petróleo e vêm sendo adaptadas para processos de remediação em solos e água subterrâneas. Serão apresentados vantagens e desafios na aplicação de espumas e como elas podem aumentar a remoção de contaminantes, por meio de processos de solubilização e mobilização. No entanto, desafios operacionais precisam ser superados, como o risco de obstrução de solos de baixa permeabilidade. Com a evolução das pesquisas, a tecnologia de espumas de surfactantes pode se consolidar como uma solução eficaz para o aprimoramento de tecnologias convencionais de remediação de solos e águas subterrâneas.
Palavras-chave: espuma de surfactante, microespuma, colloidal gas aphrons, nanopartículas, remediação ambiental
Abstract
Surfactant foams for environmental remediation have emerged as a promising technology, particularly in heterogeneous media where conventional methods face limitations. This study reviews the literature on the application of surfactant foams in various remediation processes. The initial studies involving foams originated from petroleum extraction activities and have been subsequently adapted for remediation processes in soil and groundwater. The advantages and challenges associated with the application of surfactant foams will be presented, emphasizing how they can enhance contaminant removal through solubilization and mobilization processes. However, operational challenges still need to be addressed, such as the risk of clogging in low-permeability soils. As research advances, surfactant foam technology has the potential to establish itself as an effective solution for enhancing conventional remediation techniques in soil and groundwater systems.
keyword: Surfactant foam, microfoam, colloidal gas aphrons, nanoparticles, environmental remediation
1. Introdução
A contaminação do solo e das águas subterrâneas representa um desafio de grande magnitude para a sociedade, pois acarreta riscos à saúde humana e aos ecossistemas. A presença de áreas contaminadas pode comprometer fontes de abastecimento de água potável, além de restringir o uso do solo para atividades agrícolas e urbanas, gerando também impactos econômicos.
Para lidar com essa problemática, diversas tecnologias de remediação foram desenvolvidas. No entanto, as características do solo, dos contaminantes e até mesmo a ocupação da área a ser remediada impõem uma série de limitações aos processos de remediação (SOUZA, 2020). Nesse sentido, o desenvolvimento de novas soluções para a remoção de contaminantes, assim como o aprimoramento de tecnologias existentes, é fundamental para oferecer alternativas técnica e economicamente viáveis para a recuperação de áreas contaminadas.
Dentro desse contexto, o uso de surfactantes na forma de espuma para processos de remediação tem se mostrado uma tecnologia promissora, apresentando um desempenho superior em comparação com a aplicação de surfactantes na forma líquida (MULLIGAN e EFTEKHARI, 2003 e ZHANG et al., 2009). As espumas de surfactantes são sistemas bifásicos compostos por uma fase gasosa dispersa em uma solução aquosa contendo surfactantes. Elas podem ser classificadas em espumas regulares e microespumas, também conhecidas como colloidal gas aphrons (HASHIM et al., 2011). Suas propriedades físico-químicas únicas conferem vantagens significativas para a remediação ambiental.
Na indústria petrolífera, o uso de espumas vem sendo estudado desde a década de 1960 para a recuperação avançada de petróleo (BERNARD et al., 1970) e, há décadas, essa tecnologia é aplicada em escala real para essa finalidade (FITZHENRY, 2022). As espumas atuam melhorando o controle da mobilidade dos fluidos gasosos injetados nos reservatórios, reduzindo problemas de canalização e segregação gravitacional desses fluidos e, consequentemente, melhorando o deslocamento do óleo.
Para a remediação ambiental, embora existam trabalhos de campo realizados na década de 1990 (HIRASAKI et al., 1997) que demonstraram o sucesso da aplicação de espumas de surfactantes, essa tecnologia ainda está em desenvolvimento. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo apresentar uma revisão sobre o uso de espumas de surfactantes como uma tecnologia para a remediação ambiental, abordando seus mecanismos de ação e os desafios para sua aplicação em larga escala, visando fomentar o desenvolvimento dessa abordagem em processos de remediação. Os resultados obtidos podem fornecer insights valiosos sobre a eficiência e a eficácia das espumas na remoção de contaminantes, além de contribuir para o desenvolvimento de estratégias mais sustentáveis para a recuperação de áreas contaminadas.
2. Caracterização de espumas
A formação de espuma ocorre, em geral, na presença de surfactantes, substâncias com atividade superficial que se acumulam na interface entre fluidos, reduzindo a tensão superficial. Quando um gás é introduzido em um líquido contendo surfactantes, ele se dispersa nesse fluido e é envolvido por uma película líquida denominada lamela, cuja estabilidade é mantida pelos surfactantes presentes em sua estrutura (FARZANEH et al., 2013). HIRASAKI (1989) complementa que, em um meio poroso, a fase líquida é contínua, enquanto parte da fase gasosa torna-se descontínua devido à presença das lamelas, que segmentam as bolhas de gás dentro da matriz porosa.
A estabilidade das espumas depende da redução da velocidade dos mecanismos de colapso, sendo os três principais: difusão de gás (amadurecimento de Ostwald), coalescência das bolhas e drenagem do líquido entre elas (DALTIN, 2011). Surfactantes aniônicos, especialmente os sulfatados, aumentam a estabilidade devido à solvatação (ARAÚJO, 2011). As espumas podem ser instáveis, com curta meia-vida, ou metaestáveis, mantendo-se estáveis por longos períodos (OLIVEIRA, 2004). A viscosidade do líquido da espuma também desempenha um papel fundamental, retardando a drenagem do líquido presente nas lamelas o que aumenta a estabilidade (CARRISSO, 2014).
Oliveira (2004) classifica as espumas em dois tipos: Espuma seca, com menor fração volumétrica de líquido e maior estabilidade, devido à repulsão eletrostática entre os filmes das lamelas, especialmente em espumas formadas por surfactantes iônicos. Espuma molhada, que possui maior fração volumétrica de líquido e menor estabilidade. Sebba (1987) e Larmignat et al. (2008), apontam que a morfologia das bolhas permite ainda classificar as espumas em espumas convencionais (ou regulares), caracterizadas por bolhas de formato poliédrico, e microespumas ou Colloidal Gas Aphrons (CGA), cujas bolhas são esféricas com tamanho entre 25-300 µm.
Figura 1 – Representação esquemática de CGA.
Fonte: Adaptado de Sebba (1987).
Além disso, de acordo com Sebba (1987) as microespumas possuem múltiplas camadas de surfactante e líquido, conferindo-lhes estabilidade elevada. A Figura 1 representa esquematicamente a estrutura de um CGA. Esse tipo de espuma apresenta grande superfície de contato por unidade de volume e propriedades de escoamento semelhantes às da água, podendo ser bombeadas sem colapso (SINGH et al., 2007).
Uma característica marcante das microespumas é a capacidade de incorporação de gás (aproximadamente 50% v/v), o que é caracterizado como porosidade de gás da microespuma. A estabilidade das microespumas é influenciada por três principais fatores: concentração de surfactante que, quando aumentada, eleva a viscosidade e elasticidade do sistema, reduzindo a coalescência; concentração de eletrólito que, quando elevada, pode diminuir a estabilidade pela compressão da dupla camada elétrica; e pH, relacionado à constante de dissociação (pKa) do surfactante (Feng et al., 2009).
3. Comportamento da espuma em meio poroso
A presença de uma fase sólida, representada pela rede de poros desordenada, introduz uma nova dinâmica nas propriedades da espuma, afetando parâmetros como a estabilidade, viscosidade, razão líquido/gás, dentre outros (ATTEIA et al., 2023). O comportamento da espuma em meios porosos depende fortemente da relação entre os tamanhos das bolhas e dos poros. Nesse contexto, a pressão capilar desempenha um papel fundamental na estabilidade das lamelas da espuma. Khatib et al. (1988) identificaram que, quando a pressão capilar excede um valor crítico, ocorre o colapso da espuma, fenômeno denominado pressão capilar crítica. Para que a espuma se mova através do meio poroso, é necessário que ela supere a pressão capilar, porém sem ultrapassar a pressão crítica, garantindo assim sua estabilidade e mobilidade no sistema.
Além da pressão capilar, existem outras duas forças que influenciam o fluxo da espuma, são elas: viscosidade e gravidade. A relação entre as força de gravidade e capilaridade é descrito pelo número de Bonb, sendo a viscosidade espuma um fator chave para o equilíbrio dessas forças (ARANDA et al., 2020). Portanto, a viscosidade da espuma está relacionada diretamente com a qualidade da espuma. Espumas fortes, com alta viscosidade, possuem fluxo mais uniforme, enquanto espumas fracas sofrem maior segregação gravitacional (ARANDA et al., 2020). Espumas fortes tendem a ter mais ar (maior porosidade) e são mais secas do que espumas fracas.
Friedmann et al. (1991), descrevem que, em espumas fortes em estado estacionário, a fração de gás retido geralmente varia entre 85% e 99%. Nesse contexto, as bolhas se deslocam de forma irregular, devido à geometria dos poros, resultando no aprisionamento de algumas bolhas, enquanto outras se deslocam mais rapidamente.
Atteia et al. (2023), explicam que a viscosidade da espuma está diretamente relacionada a um outro fator chave para compreender seu comportamento em meios porosos: o Fator de Resistência (FR). Espumas com elevado fator de resistência possuem alta densidade de lamelas e, consequentemente, viscosidade elevada. O FR é utilizado para quantificar o aumento da queda de pressão durante o fluxo da espuma em comparação ao fluxo de um fluido líquido na mesma vazão volumétrica. Quando a referência para a queda de pressão é a fase gasosa, o termo utilizado é Fator de Redução da Mobilidade (MRF).
No caso dos CGAs, Alizadeh et al. (2017), destacam que a retenção dos aphrons pode ser adequadamente descrita pela teoria de filtração. Além disso, um aumento na razão entre o tamanho das bolhas e o tamanho dos grãos do meio poroso reduz o comprimento da zona invadida ou o raio de influência da espuma. Os CGAs apresentam comportamento pseudo plástico e fluxo empistonado, melhorando a distribuição no meio poroso (COUTO, 2007).
4. Efeito bloqueador
Uma característica notável do comportamento das espumas em meios porosos é sua capacidade de reduzir a permeabilidade em zonas de alta condutividade hidráulica. Esse fenômeno, conhecido como efeito Jamin, promove o redirecionamento do fluxo para regiões menos permeáveis, sendo particularmente vantajoso para o tratamento de áreas com alta heterogeneidade (ARANDA et al., 2020).
Bertin et al. (2017) demonstraram que a espuma gerada in situ, por meio de co-injeção em um meio heterogêneo, permaneceu confinada na camada de alta permeabilidade, propagando-se sem penetrar na camada de baixa permeabilidade, devido à elevada pressão capilar desta última. Portois et al. (2018) observaram que a injeção de espuma é capaz de confinar zonas de origem de solventes clorados, reduzindo a condutividade hidráulica em mais de uma ordem de magnitude e mantendo o confinamento por, pelo menos, três meses.
5. Formas de geração de espumas
A formação de espumas ocorre pela fricção mecânica entre a fase líquida, contendo surfactante, e a fase gasosa, resultando na geração de lamelas. Para aplicações em remediação ambiental, as espumas podem ser geradas tanto in situ, quanto ex situ.
Na geração in situ, a percolação da espuma no meio poroso promove processos de deformação, coalescência e regeneração das bolhas. Esses processos são influenciados por fatores como a concentração do surfactante, a presença de sais e co-surfactantes, além do diâmetro das bolhas e das partículas do meio poroso (MARDSEN e KHAN, 1966; SHARMA et al., 1984-1986; OLIVEIRA, 2004).
Em meios porosos, a formação das lamelas ocorre por quatro mecanismos principais: snap-off, pinch-off, leave-behind e divisão de lamelas, sendo o snap-off o mais relevante para a formação de espumas viscosas (Liontas, 2013). Peixoto (2011) definiu o snap-off como um processo de ruptura de gotas/gotículas e bolhas dentro de um meio poroso, que ocorre quando um fluido não molhante atravessa uma garganta de poro (ou poro-garganta) previamente preenchida por um fluido molhante. Os poros-garganta são constrições ou afunilamentos presentes na estrutura porosa de uma formação.
Com relação aos métodos de geração de espumas in situ, Portois (2018) descreve três principais técnicas: Solution Alternating Gas (SAG), Co-Injeção e Pré-Geração. No método SAG, a solução surfactante e o gás são injetados de forma alternada no aquífero. Na Co-Injeção, ambos são injetados simultaneamente. Já no método de Pré-Geração, a injeção simultânea ocorre inicialmente em uma coluna contendo um meio poroso, onde a espuma é pré-formada antes de ser injetada no aquífero. Este último método é essencial para a geração de espuma viscosa em meios porosos altamente permeáveis (ARANDA et al., 2020).
A geração de espumas ex situ, permite um controle mais preciso da qualidade e do tipo de espuma produzida, facilitando a formação de CGAs. No trabalho de revisão realizado por Hashim et al. (2012), os autores listaram os principais equipamentos utilizados para a geração ex situ de microespumas. Entre os exemplos de equipamentos estão agitadores de alta rotação, difusores de bolhas finas e geradores de microbolhas.
6. Aplicações de espumas na remediação ambiental
Os mecanismos de interação das espumas no meio poroso, devido à composição bifásica e comportamento como um fluido não newtoniano, conferem a elas propriedades vantajosas para a remediação ambiental (SOUZA, 2020). Entre essas propriedades, destacam-se o aumento da eficiência da área de deslocamento do contaminante em aquíferos heterogêneos, maior estabilidade da frente de deslocamento causada por forças viscosas e a redução das forças capilares devido à diminuição da tensão interfacial entre as fases aquosa e orgânica. Para Géraud et al. (2016), as espumas são mais eficazes do que soluções aquosas, pois apresentam melhor desempenho em meios heterogêneos e baixa sensibilidade à gravidade, característica particularmente vantajosa para a remediação de zonas vadosas. A seguir, serão apresentadas as principais aplicações de espumas na remediação ambiental.
6. 1. Uso de espumas para aprimoramento do Soil Flushing
Durante o processo de soil flushing com espumas os contaminantes podem ser removidos por meio de mecanismos como solubilização, mobilização e volatilização (ATTEIA et al., 2023). Roy et al. (1992) foram pioneiros na aplicação de microespumas em testes de bancada para avaliar a mobilização e remoção de contaminantes. Os autores observaram que, embora não houvesse a diferença significativa em relação às soluções surfactantes convencionais, as microespumas utilizaram menos surfactante e apresentaram quedas de pressão menores em comparação com fluidos líquidos. Em estudos posteriores, Roy et al. (1995) demonstraram que microespumas foram mais eficazes na lavagem do solo quando comparado a soluções surfactantes na remoção de fluido de transmissão automática (ATF) e naftaleno do solo, destacando mecanismos como mobilização, solubilização e repulsão elétrica.
Kommalapati et al. (1998) alcançaram 90% de remoção de hexaclorobenzeno (HCB) utilizando microespumas de surfactantes naturais em testes laboratoriais. Roy et al. (1997) verificaram que as microespumas eram até 100 vezes mais eficientes do que a injeção de água para remover HCB do solo. Huang et al. (2000) estudaram em laboratório a remoção de n-pentadecano e concluíram que espumas com maior teor de gás aumentaram a eficiência do processo, removendo mais de 74% do contaminante.
Boonamnuayvitaya et al. (2009) avaliaram, em ensaios de bancada, a remoção de pireno com espumas de um surfactante biodegradável. Os resultados mostraram que maiores concentrações de surfactante aumentaram a eficiência de remoção. Enquanto a água sozinha removeu apenas 11% do contaminante, espumas com 7% (v/v) de surfactante alcançaram 78% de remoção. Couto (2007) estudou a remoção de óleo diesel em solos arenosos utilizando colunas contendo areia. O autor verificou que espumas regulares e microespumas foram significativamente mais eficazes do que soluções surfactantes convencionais, com microespumas atingindo 99% de remoção e menor consumo de surfactante.
Figura 2 – Frente de propagação da espuma.
Fonte: Couto (2007)
Rosa (2012) comparou soluções surfactantes e microespumas na remediação de solos contaminados com petróleo e óleo diesel, concluindo que as microespumas melhoram a remoção de contaminantes, especialmente ao utilizar ramnolipídeos como surfactante. Hashim et al. (2012) descreveram os mecanismos de ação das microespumas, incluindo mobilização e solubilização, além de destacarem a eficácia dos surfactantes naturais, como saponinas, devido à sua baixa toxicidade e impacto ambiental reduzido.
O trabalho realizado por Wang et al. (2012), avaliou em bancada a lavagem de solo utilizando espuma, solução surfactante e água. Os resultados mostraram que a lavagem com espuma foi superior aos demais fluidos, atingindo uma remoção de 94,7% dos contaminantes. Os autores destacaram que o efeito Jamin mostrou-se útil para remediação em meios heterogêneos. No entanto, diferentemente de outros autores, eles indicaram que a espuma apresentou um alto gradiente de pressão, o que pode comprometer a estrutura do solo em projeto de escala real.
Yan et al. (2019), investigaram a remediação de nitrobenzeno em meio heterogêneo por meio da lavagem com espuma de surfactante. Nesse trabalho os autores identificaram que a remoção desses contaminantes atingiu 95,7%, sendo 69,5% atribuídos à mobilização, 21,6% à solubilização e 1,5% à volatilização.
Foreya, et al. (2019), realizaram experimentos e constataram que a presença de óleo no meio poroso prejudica a estabilidade da espuma. Para superar essa limitação, partículas sólidas coloidais foram testadas como uma estratégia para evitar a coalescência das bolhas. Os resultados indicaram que essa abordagem fortalece as lamelas, criando uma barreira física na interface gás/água, e conferindo maior estabilidade à espuma. Uma alternativa para aumentar a estabilidade das espumas, consiste no uso de partículas de Janus, conforme evidenciado em pesquisas voltadas para a recuperação avançada de petróleo (WANG e MULLIGAN, 2019). O primeiro trabalho de campo com aplicação de espumas de surfactantes foi conduzido por Hirasaki et al. (1997), para a remediação de tricloroeteno (TCE). A abordagem do teste piloto constituiu em utilizar a espuma para regular o perfil de condutividade hidráulica do aquífero, bloqueando seletivamente a camada de alta permeabilidade, a fim de melhorar a recuperação do contaminante pela solução surfactante na camada de baixa permeabilidade. Os resultados mostraram uma redução de 88% na massa de contaminante adsorvida no solo.
Portois et al. (2018), também realizaram um teste piloto para a remediação de TCE, com o objetivo de avaliar o efeito bloqueador da espuma na contenção do avanço da pluma de contaminação. Os autores observaram que, após a injeção da espuma, houve uma redução de três a quatro vezes no fluxo de massa a jusante dos poços de injeção.
Outro estudo, realizado em escala piloto, por Fleifel et al. (2020), investigou como a espuma com mobilidade de gás reduzida pode auxiliar na mobilização e recuperação de mais óleo, melhorando a eficiência do deslocamento. De acordo com os autores, os resultados demonstram potencial para superar a heterogeneidade do subsolo e, assim, aprimorar o desempenho geral da remediação in situ.
6. 2. Entrega de biorremediadores
Dentre as vantagens do uso de espumas como agente remediador, destaca-se a capacidade de melhorar a entrega de agentes corretivos/remediadores. Roy, et al. (1992), já alertavam para as possibilidades de uso das espumas para auxiliar no fornecimento de oxigênio e nutrientes essenciais em etapas posteriores à biorremediação, complementando o processo de soil flushing.
Espumas ou microespumas/CGAs, ao transportarem ar, nutrientes e microrganismos para uma matriz de solo contaminado, abrem novas possibilidades para o tratamento biológico de solos e aquíferos. Hashim et al. (2012), mencionam que a capacidade das suspensões de microbolhas/microespumas de fornecer oxigênio, microrganismos e micronutrientes a um local alvo pode ser aproveitada para aumentar com sucesso a biodegradação aeróbia de poluentes no solo.
Maire et al. (2019), estudaram o uso de gás hidrogênio (H2) para potencializar a bio-desalogenação redutiva de TCE em águas subterrâneas. Os autores utilizaram espumas de surfactantes para garantir a entrega direcionada do H2> aos locais alvos das plumas de contaminação, bem como, garantir a permanência do H2 em contanto com o contaminante por maiores períodos. Eles avaliaram a capacidade da espuma de reter H2 na zona saturada e aumentar sua liberação na forma dissolvida em comparação com o biosparging tradicional. Os testes foram realizados em um modelo 2D (com esferas de vidro), onde o gás H2 foi injetado isoladamente ou como espuma. Ambas as abordagens demonstraram, que o comportamento viscoso da espuma permite reter volumes de H2 de forma mais eficiente, com um valor 3,5 vezes maior do que o biosparging. A Figura 3A, ilustra a injeção de H2 via biospargin e a entrega de H2 via espuma, enquanto a Figura 3B, apresenta o comportamento do H2 em função do tempo após a injeção.
Figura 3A e 3B – Fotografias retiradas durante e após a injeção de H2 nos ensaios realizados respectivamente.
Fonte: Maire et al. (2019)
6. 3. Distribuição de oxidantes
Bouzid, et al. (2019) estudaram a entrega aprimorada do oxidante (persulfato de sódio – PS) em zona vadosa com o auxílio de espumas. Os autores destacam que a distribuição in situ de reagentes líquidos na zona vadosa é limitada pela anisotropia do solo e pela gravidade e que o uso combinado com espumas pode superar essas limitações.
Eles realizaram um estudo em um ambiente 2D, comparando três métodos de entrega: tradicional à base de água (PS-A), à base de solução surfactante (PS-S) e aprimorada com espuma (PS-E). O objetivo era distribuir o persulfato de sódio uniformemente em solos anisotrópicos, não saturados e contaminados com alcatrão de carvão, considerando variações de permeabilidade e contaminação. Os resultados mostraram que a água pura foi o método menos eficaz para a entrega de persulfato em solos contaminados, uma vez que a hidrofobicidade do solo contaminado com alcatrão de carvão teve um forte impacto na distribuição de oxidante. A adição de surfactante inverteu a molhabilidade dos materiais contaminados. A injeção de espuma primária antes da solução oxidante aumentou a distribuição lateral e uniforme do reagente em solos isotrópicos e anisotrópicos. O oxidante se espalhou isotropicamente através da rede de espuma de água, demonstrando a eficácia do método.
Em outro estudo, Bouzid, et al. (2019), avaliaram formas para aprimorar a entrega de oxidantes em solos instaurados utilizando espumas. Além da injeção convencional com solução surfactante, duas abordagens com espumas foram avaliadas: 1) injeção alternada e repetida de pequenos volumes de espuma e solução oxidante e 2) injeção única de um volume de espuma para atingir um determinado raio de influência (ROI), seguida pela injeção da solução oxidante.
A Figura 4 mostra as fotografias retiradas do modelo 2D, comparando os diferentes tipos de permeabilidade e tempo após a injeção.
Figura 4 – Fotografia dos ensaios realizados por Bouzid et al. (2019).
A distribuição de oxidante com a injeção sequencial de líquido surfactante e solução oxidante em dois solos isotrópicos com diferentes permeabilidades mostrou-se pouco eficaz. No entanto, a injeção única de espuma primária, antes da solução oxidante aumentou a distribuição lateral e uniforme de reagente em solos isotrópicos e anisotrópicos (permeabilidade, contaminação). A injeção prévia de espuma permitiu a distribuição uniforme da solução de oxidante em toda a região ocupada pela espuma, independentemente do contraste de permeabilidade do solo.
Zhang et al. (2019), realizaram um estudo com o objetivo conceber e construir um sistema de CGAs com um núcleo gasoso contendo ozônio envolto por multicamadas de moléculas de surfactante não iônico, o qual eles denominaram de aphrons de ozônio coloidal (COAs). Os resultados indicaram que, em doses elevadas de ozônio, é possível que as camadas de surfactante dos COAs tenham sido completamente oxidadas antes que a espuma chegasse aos locais contaminados com fenantreno. Porém em doses baixas de ozônio o encapsulamento pela camada de surfactante mostrou-se mais estável e os COAs permitiram a liberação lenta de ozônio e a remoção efetiva do fenantreno via oxidação por ozônio liberado e livre.
6. 4. Entrega de nanopartículas
Segundo Ali et al. (2019), a persistência de diversos contaminantes à base de hidrocarbonetos e os mecanismos de remoção utilizando espumas de surfactantes estabilizadas com nanopartículas (espumas-NP) apresentam potencial para uma remediação verde e sustentável. Os autores destacam que o óxido de ferro, ferro zero valente e sílica são as NPs mais utilizadas, ressaltando a importância de estudos de pesquisa que avaliem os perfis tóxicos e a retenção dessas NPs em ambientes biológicos do aquífero.
Amiri (2014), relata que o resultado da interação entre o surfactante e as nanopartículas aumenta a hidrofobicidade, aumentando a afinidade das partículas para a interface ar-água e promovendo sua adsorção na superfície do aphron (microespuma). A cobertura completa de nanopartículas projetadas na interface ar-água pode proporcionar uma estabilização aprimorada e reduzir a coalescência das bolhas de aphrons. Devido a características estruturais únicas, como tamanho reduzido e propriedades de superfície, as nanopartículas projetadas podem criar aphrons mais estáveis do que espumas convencionais. Portanto, a estabilidade das microespumas podem ser controladas e melhoradas com o uso de nanopartículas.
Karthick et al. (2019), em outro estudo avaliaram a remediação de três tipos de solo (desértico, costeiro e argiloso) contaminados com diesel, utilizando espumas de surfactante estabilizadas com nanopartículas de ferro zero valente (nFZV) e Fe3O4. Os autores relatam que ambas as nanopartículas melhoraram o processo de remediação, com o nFZV apresentando os melhores resultados.
Shen et al. (2011), estudaram a viabilidade do uso de espumas para entrega de nanopartículas em meios porosos insaturados. Para isso, utilizaram microesferas de látex de poliestireno modificadas com carboxila como substitutas de nanopartículas. O transporte aprimorado das microesferas demonstrou que a distribuição da espuma pode aumentar significativamente o raio de influência das nanopartículas injetadas para fins de remediação.
Srirattana et al. (2017), avaliaram, em laboratório, a possibilidade de utilizar espumas como veículo de transporte de nFZV em meios porosos insaturados e contaminados com TCE e Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL), seguido pela aplicação de um campo eletromagnético de baixa frequência (CEM-BF) para aumentar a volatilização do TCE. Os autores concluíram que a técnica de entrega de nFZV por meio de espumas na zona vadosa, combinada com a aplicação de CEM-BF, possui potencial para aumentar termicamente a remoção de compostos orgânicos voláteis (VOC) na zona vadosa. No entanto, destacaram que- aspectos desta nova técnica precisam de investigação adicional para torná-la plenamente aplicável.
Zhong et al. (2009), em seu estudo sobre redução de sedimentos e imobilização de cromo hexavalente, observaram que à medida que a espuma contendo polissulfeto de cálcio (CPS) é injetada na coluna, o sedimento sofre uma mudança química evidenciada pela alteração de cor, de marrom (indicando uma forma oxidada de ferro) para verde, conforme ilustrado na Figura 5. Esse processo é essencial para a imobilização de contaminantes como o cromo hexavalente, que pode ser reduzido e estabilizado no sedimento, minimizando sua mobilidade e toxicidade.
Figura 5 – Redução do ferro presente no sedimento coluna por CPS entregue por espuma: série temporal. Listados abaixo das colunas estão os horários em que as fotos foram tiradas e os volumes dos poros (PV-foam) de espuma.
Fonte: Zhong et al.(,2009)
6. 5. Foam Fraction para remoção de PFAS
Conforme En We et al. (2024), a remoção de compostos tensoativos, como as substâncias per e polifluoroalquiladas (PFAS), de matrizes aquosas pode ser realizada por meio da tecnologia de fracionamento de espuma (Foam Fraction), devido à sua afinidade com interfaces ar-líquido. A estrutura anfifílica dos PFAS permite sua remoção por adsorção nas interfaces ar-líquido fornecidas no sistema de fracionamento de espuma. Esse processo é conduzido em colunas cilíndricas alongadas, que desempenham papel importante ao permitir que a adsorção do PFAS nas interfaces ar-líquido enquanto as bolhas de ar ascendem pela coluna.
Segundo EnWe et al. (2024), para iniciar o processo de fracionamento da espuma, o ar será aspergido do fundo da coluna para estabelecer um fluxo borbulhante. Em seguida, as interfaces ar-líquido geradas pelos enxames de bolhas estão disponíveis para a adsorção de PFAS. Uma manta de espuma pode ser formada no topo do nível da água se a energia da superfície existente, à qual o PFAS e outros compostos tensoativos são adsorvidos, for reduzida na medida em que o filme líquido, ao redor das bolhas de ar ascendentes, possa ser estabilizado. O processo de fracionamento da espuma termina com a etapa de colheita da espuma.
No estudo de Burns et al. (2022), foi realizado um teste piloto para tratamento de efluentes com uso de uma planta unificada de separação e concentração, essenciais para o processo de fracionamento de espumas na remoção de PFAS. Este estudo demonstrou que além da eficácia na remoção de PFAS do efluente, foi possível, pela etapa de concentração, identificar novos compostos de PFAS que não haviam sido detectados antes devido a baixas concentrações. O estudo de Smith et al. (2022), demonstra em seu teste piloto que o processo de fracionamento de espuma é mais eficaz na remoção de cadeias longas, em detrimento dos de cadeia curta.
7. Considerações Finais
O uso de espumas de surfactantes para remediação ambiental tem se mostrado uma tecnologia promissora, especialmente em ambientes heterogêneos, onde os métodos convencionais de remediação apresentam limitações. A capacidade das espumas de controlar a mobilidade de fluidos, aumentar a eficiência de cobertura no meio poroso e reduzir a formação de canais preferenciais são vantagens que as tornam uma alternativa viável para a remoção de contaminantes em solos e aquíferos. Além disso, a possibilidade de utilização de espumas biodegradáveis, como as baseadas em saponinas e surfactantes naturais, contribui para o desenvolvimento de abordagens mais sustentáveis e ecologicamente seguras.
Os estudos analisados demonstram que a aplicação de espumas pode aumentar significativamente a remoção de contaminantes, como hidrocarbonetos, solventes clorados e metais pesados, seja por solubilização, mobilização ou processos de volatilização assistida. Além disso, a utilização de espumas para entrega de biorremediadores, oxidantes e nanopartículas ampliam seu potencial para atuar como um veículo eficiente na remediação de solos contaminados.
Entretanto, a tecnologia ainda enfrenta desafios operacionais que precisam ser superados para sua aplicação em larga escala. Entre as principais limitações, destacam-se: (i) Estabilidade da espuma na presença de contaminantes, especialmente óleos e hidrocarbonetos, que podem comprometer a coesão das lamelas. (ii) Necessidade de maior controle sobre os gradientes de pressão, pois pressões elevadas podem causar danos estruturais ao solo, enquanto pressões insuficientes podem limitar a propagação da espuma. (iii) Risco de obstrução em meios de baixa permeabilidade, como solos argilosos e siltosos, dificultando a penetração da espuma e reduzindo sua eficácia. (iv) Custos operacionais e viabilidade econômica, especialmente relacionados à seleção e formulação de surfactantes que maximizem a eficiência da espuma sem gerar impactos ambientais adversos.
Portanto, avanços na formulação de espumas mais estáveis, eficientes e sustentáveis são necessários para ampliar seu uso na remediação ambiental. Pesquisas futuras devem se concentrar na otimização das propriedades físico-químicas das espumas, no desenvolvimento de métodos híbridos (como o uso combinado com biorremediação e oxidação química), no uso de nanopartículas para melhorar a estabilidade das lamelase na realização de testes em campo de longo prazo para validar sua eficácia em diferentes cenários de contaminação.
Além disso, a tecnologia de espumas pode ser explorada para barreiras de contenção tipo funnel-and-gate, entrega aprimorada de carvão ativado coloidal e bloqueio de fraturas em aquíferos rochosos, ampliando suas aplicações no campo da remediação ambiental.
Dessa forma, a aplicação de espumas de surfactantes pode se consolidar como uma tecnologia capaz de aprimorar processos convencionais de descontaminação de solos e águas subterrâneas.
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