L’elettrosmosi è il processo in cui l’applicazione di un campo elettrico in corrente continua ad un terreno, genera il movimento dell’acqua, o più in generale di un fluido, all’interno dei pori del mezzo poroso. In seguito all’applicazione di una differenza di potenziale, l’acqua si muove e tende ad accumularsi in prossimità di un elettrodo da cui potrebbe, per esempio, essere estratta attraverso pompaggio.
La migrazione si origina in seguito all’interazione tra il doppio strato diffuso, esistente all’interfaccia del suolo/fluido e il fluido nei pori. Ogni poro del terreno ha un sottile strato di liquido carico elettricamente in prossimità della parete (con uno spessore compreso tra 1 e circa 10 nm), che permette la neutralizzazione della carica sulla superficie della particella di suolo e determina il movimento del fluido. La direzione del movimento dell’acqua nel suolo è determinata dalla carica del contaminante, sotto un campo elettrico, lo strato si muove in una direzione parallela allo stesso, trasportando il liquido e il contaminante [?].
Per descrivere la distribuzione di ioni in prossimità di una superficie carica si richiama la teoria del doppio strato elettrico. La maggior parte dei materiali argillosi ha una carica nega- tiva, generata da imperfezioni sviluppatesi durante la loro formazione. Un eccesso di carica negativa esiste in tutti i tipi di suolo mentre la carica elettrica totale per unità di superficie (densità superficiale di carica) aumenta all’aumentare della superficie specifica del minerale. Ad esempio la densità di carica superficiale aumenta nel seguente ordine: sabbia - limo - caolino - illite - montmorillonite. L’eccesso di carica negativa porta all’attrazione ed ammas-
4.5 L’elettrosmosi
samento di cationi pressoché immobili a ridosso della superficie (strato di Stern). Nello strato diffuso risiedono sia cationi (in maggior numero) che anioni oltre alle molecole d’acqua. La neutralità della carica del fluido nei pori è mantenuta dalla concentrazione equivalente di specie cationiche e anioniche. Quando viene applicato un campo elettrico la massa di catio- ni sulla superficie si sposta verso il catodo (Figura 4.5). Tale movimento determina una forza netta sul fluido che determina un flusso nella stessa direzione. Tale flusso che è il risultato di un gradiente di potenziale elettrico è chiamato elettrosmosi.
Fuori dal doppio strato, nella soluzione, dal momento che le cariche positive eguagliano quelle negative, il flusso netto è considerato pari a zero. Lo spessore del doppio strato, che è in relazione al flusso, dipende dall’entità della densità di carica superficiale, dalla concen- trazione degli ioni nel fluido dei pori, dalla valenza dei cationi e dalle proprietà dielettriche del fluido. All’aumentare della concentrazione ionica, lo spessore del doppio strato diffuso si riduce, diminuendo cosi il flusso elettrosmotico.
Il processo garantisce il trasporto uniforme dell’acqua, dovuto al movimento degli ioni verso il catodo, risultando efficiente in suoli argillosi a bassa permeabilità in quanto la con- duttività elettrosmotica in questi suoli è di molti ordini di grandezza più alta della conduttività idraulica. In generale, la permeabilità elettrosmotica per ogni suolo a 20◦C assume valori
prossimi a1·10−5cm2V−1sec−1con l’applicazione di un gradiente elettrico pari a1V cm−1.
L’intera massa di suolo tra i due elettrodi viene trattata uniformemente, risulta quindi indipen- dente dalla eterogenità del suolo; questo è il motivo per cui l’elettrosmosi è un processo efficiente anche in suoli eterogenei.
In generale il flusso elettrosmotico sarà massimo in argille a bassa attività con un elevato contenuto d’acqua e bassa concentrazione elettrolitica, dal momento che lo spessore del doppio strato sarà massimo mentre la conduttività del fluido dei pori sarà minimo sotto queste condizioni.
Il flusso elettrosmotico dipende, in generale, dal tipo di suolo, dal suo contenuto d’acqua, dal suo pH, dal tipo di specie ioniche e dalla concentrazione ionica nell’acqua dei pori.
Uno dei primi modelli analitici che descrivono il flusso elettrosmotico è quello proposto da ? e modificato da ?, matematicamente può essere espresso dall’equazione:
v= εζ∆E
4πµ∆L (4.4)
In cuiv indica la velocità elettrosmotica, ∆E è la differenza di potenziale applicata, ∆L
è la distanza tra gli elettrodi,εè la permittività del liquido,µè la viscosità del liquido,ζè il potenziale zeta, cioè la differenza di potenziale tra la superficie di scivolamento e il bulk liquido. Questa teoria assume che il fluido contenuto nei pori del terreno è costituito da acqua pulita o un elettrolita molto diluito e che la dimensione dei pori del terreno sia dello stesso ordine di grandezza dello spessore del doppio strato elettrico. Questo modello è basato sulla teoria della capillarità e per questo non tiene conto delle tortuosità delle linee flusso attraverso il mezzo poroso (terreno).
4. I processi elettrocinetici
Figura 4.5: Generazione del flusso elettrosmotico nei pori del terreno.
? e più recentemente ?? dimostrano che le assunzioni del modello di Helmholtz– Smoluchowski sono troppo restrittive per i terreni a grana molto fine e introducono un nuo- vo modello che tiene conto dei parametri del fluido nei pori e delle dimensioni del poro2.
Matematicamente il modello può essere descritto dall’equazione:
v=r
2A
0F ∆E
8µ∆L (4.5)
In cuivindica la velocità elettrosmotica,ril raggio medio dei pori del terreno,A0la volume
charge density in pore,Fla costante di Faraday (96500 C/mol).
Un ultimo modello è quello proposto da ?, come ulteriore evoluzione del modello di Helmholtz–Smoluchowski e che introduce una nuova variabile: la costante di permeabilità elettrosmotica (ke). Il modello viene ricavato dalla considerazione dell’analogia tra il flusso
elettrosmotico e il flusso idraulico (entrambi flussi di potenziale [?]). In analogia con la for- mula del flusso idraulico nei mezzi porosi (Equazione di Darcy [?]), la velocità elettrosmotica può essere calcolata dalla formula:
v= −ke· ∇Φ (4.6)
In cuivm·s−1indica la velocità di filtrazione,k
e[m2·V−1·s−1] è il coefficiente di conduttività
elettrosmotica,∇Φ[V · m−1] è il gradiente di tensione applicata.
La velocità del flusso elettrosmotico dipende dal bilanciamento tra la forza elettrica sul liquido e l’attrito tra il liquido e la superficie delle particelle del suolo. La permeabilità
2
In questo caso la dimensione del doppio strato elettrico può essere significante rispetto alla demensione del poro.