Explorando o tamanho e a forma em solos e sedimentos da Lua, da Terra e do oceano

A análise do solo e dos sedimentos é essencial para os seres humanos, pois fornece impressões digitais de sua origem. As principais categorias de análise de solo e sedimentos incluem estudos de hidrologia e geologia. O tamanho e a forma das partículas são desafiadores na análise de solo e sedimentos. Por quê? As amostras de solo são polimórficas e sempre abrangem uma ampla faixa de distribuição de tamanho. O Bettersizer S3 Plus analisa o tamanho das partículas em uma ampla faixa de 0,01 μm a 3,5 mm, atendendo plenamente às necessidades de medições de tamanho de solo e sedimentos. Esta nota de aplicação se concentrará em três aplicações diferentes que abrangem o regolito lunar, o deserto e os sedimentos marinhos e explorará as diferenças de tamanho e formas de partículas em três amostras.

 

                        

Produto	Bettersizer S3 Plus
Indústria	Análise ambiental
Amostra	Regolito lunar, sedimentos marinhos, deserto e areia padrão
Tipo de medição	Tamanho da partícula Forma da partícula
Tecnologia de medição	Difração a laser Análise de imagem dinâmica

 

 

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• Introdução
 
• Medições 
   
  • Sedimentos marinhos
   
  • Regolito lunar
   
  • Deserto e areia padrão
   
   
 
• Conclusão
 
• Referência
 

 

 

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Introdução

 

O solo de diferentes terrenos tem várias características, fornecendo impressões digitais de sua origem. De acordo com o padrão da União Internacional de Ciência do Solo (IUSS), a categoria do solo pode ser classificada como argila, silte, areia fina, grão grosso e cascalho. Outro sistema padrão do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA) classificou a areia em oito classes, conforme mostrado na Figura 1 ^[1].

 

Figura 1. Classificação do solo em diferentes sistemas

 

 

As principais categorias de análise de solo e sedimentos incluem estudos de hidrologia e geologia. Nos estudos de hidrologia, a análise de sedimentos fornece informações importantes para a tectônica de placas e a sustentabilidade ambiental das bacias hidrográficas. Nos estudos de geologia, as amostras de solo são estudadas para detectar poluição e mudanças climáticas.

 

 

Hidrologia

 

A marca do rio muda devido a variações no tamanho das partículas. A amostragem no mesmo local em anos diferentes é necessária para monitorar as flutuações do tamanho das partículas e avaliar o risco de inundação.

 

 

A análise de sedimentos marinhos é desafiadora porque as maiores partículas provavelmente têm mais de um centímetro, enquanto as menores partículas têm apenas alguns micrômetros de tamanho. A peneiração tem sensibilidade limitada a partículas finas, e a difração a laser tem o mesmo problema em partículas grossas.

 

 

Uma solução para esse problema é combinar o método de peneiramento e o método de difração a laser, em que o peneiramento remove as partículas milimétricas e a difração a laser mede as partículas de menos malha.

 

 

Geologia

 

A análise dos solos é significativa, pois o solo pode influenciar a vida dos seres humanos. O estado do solo está intimamente relacionado à agricultura, à construção e ao meio ambiente. Além disso, os solos e os sedimentos estão intimamente relacionados à ecologia. Para explorar a função do solo na ecologia, os cientistas analisam todos os aspectos físicos, químicos e biológicos do solo. Uma análise abrangente do solo incluiria tamanho de partícula, forma, densidade, compostos orgânicos, fósseis, análise elementar, etc.

 

 

Ao analisar as propriedades físicas de solos e sedimentos, o tamanho e a forma das partículas são os principais parâmetros a serem medidos. As amostras de solo são polimórficas e sempre abrangem uma ampla faixa de distribuição de tamanho. O Bettersizer S3 Series analisa o tamanho das partículas em uma ampla faixa de 0,01 μm a 3,5 mm, cobrindo totalmente todas as classes, de argila a cascalho. Além disso, o Bettersizer S3 Series combina duas técnicas em um único instrumento, realizando análises de difração a laser e de imagem dinâmica. Como resultado, o tamanho e a forma das partículas da amostra de solo podem ser analisados em uma única medição. O Bettersizer S3 Series é usado em muitas universidades e laboratórios para medir solos e sedimentos. O documento lista três aplicações diferentes que abrangem o regolito lunar, o deserto e os sedimentos marinhos.

 

 

Medições

 

1. Regolito lunar ^[2]

 

A primeira amostra é um regolito lunar (LR) devolvido da Lua pela missão Chang'E-5 (CE-5). A amostra foi obtida pelo Laboratório de Tecnologia Espacial Qian Xuesen, da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial (CAST). Na história, a primeira amostra lunar foi coletada em 1976, e somente a União Soviética e os Estados Unidos coletaram amostras lunares no século XX. Em 2020, o CE-5 levou 1.731 g de amostras lunares de volta à Terra. A Figura 2 mostra o local de amostragem do CE-5. O Qian Xuesen Laboratory foi o primeiro grupo de laboratórios autorizados a analisar o regolito lunar.

 

 

 

Figura 2. Imagem do Chang'E-5 no local antes e depois da amostragem

 

 

O Bettersizer S3 Plus foi usado para fornecer a análise do formato e a medição do tamanho das partículas. De acordo com o mapa de imagens de partículas individuais na Figura 3, o solo consiste em partículas muito pequenas e também em partículas grossas. No total, as 120.597 partículas analisadas têm uma distribuição de tamanho de partícula entre 15,0 e 438,2 µm. A circularidade média das partículas é de 0,875, e apenas 10% das partículas têm circularidade menor que 0,805. Nesse caso, o regolito lunar no local de amostragem do CE-5 tem formato regular. Assim como os muitos terrenos diferentes na Terra se enquadram em categorias diferentes, o mesmo ocorre com os diferentes terrenos lunares. O Bettersizer S3 Plus ajuda os cientistas a obter uma visão mais profunda das amostras de solo e a esclarecer a história e a evolução da Lua e da própria Terra.

 

 

 

Figura 3. Imagens de partículas individuais, circularidade e distribuição de tamanho de partículas

 

 

2. Sedimentos marinhos

 

As amostras de sedimentos marinhos são do National Marine Environmental Monitoring Center com três distribuições de tamanho diferentes. O Bettersizer S3 realizou as medições no laboratório da Bettersize. Conforme mostrado na Figura 4, os tamanhos das partículas das três amostras aumentam de cima para baixo.

 

 

Figura 4. Amostras de sedimentos marinhos

 

 

 

Tabela 1. Resultados do tamanho S3 do Bettersizer em três amostras

                                

AmostraNome da amostra	D10(μm)	D50(μm)	D90(μm)	D97(μm)
AmostraA	60	185	500	700
AmostraB	160	292	997	1412
AmostraC	224	762	1531	1785

 

 

Os valores de tamanho de partícula estão listados na Tabela 1, o que indica que as três amostras abrangem uma ampla faixa de distribuição. A amostra A tem a menor distribuição de tamanho de partícula das três amostras, onde há um intervalo de mais de 400 μm entre os valores D10 e D90. Em comparação com a amostra C, a amostra A e a amostra B têm valores de tamanho de partícula mais próximos. A amostra B contém partículas extremamente grossas, que influenciam muito a distribuição do tamanho das partículas com base no volume. Por meio da análise de imagem na Figura 5, são exibidas imagens de partículas individuais, e é evidente que o tamanho de partícula da amostra A é relativamente uniforme, enquanto a amostra B tem partículas de tamanho grande.

 

 

Figura 5. Análise de imagem da amostra A (superior) e da amostra B (inferior)

 

 

De acordo com o gráfico da amostra B na Figura 6, apareceram pelo menos dois picos, indicando diferentes grupos de tamanho de partículas. A série Bettersizer S3 tem alta resolução na distinção de diferentes grupos de tamanho de partículas. A medição usou o teste combinado porque a medição de imagem tem alta precisão para a faixa grossa e a difração a laser se destaca nas faixas fina e média.

 

 

Figura 6. Distribuições de tamanho de partícula das três amostras

 

 

3. Areia do deserto e areia padrão ^[3]

 

O Instituto Federal de Geociências em Hannover projetou um experimento para comparar a areia do deserto e a areia padrão, para analisar se a areia do deserto pode substituir a areia padrão usada no setor de construção. Todos os três modos de medição são usados: difração a laser, análise de imagem dinâmica e um método combinado de difração a laser e análise de imagem dinâmica. Na Figura 7, pode-se observar que a análise de imagem dinâmica e a análise combinada mostram um gráfico de distribuição de tamanho de partícula semelhante para a amostra de areia padrão.

 

 

Figura 7. Distribuições de tamanho de partícula da areia do deserto e da areia padrão

 

 

A amostra de areia padrão contém muitas partículas grossas, o que não ocorre com a amostra de areia do deserto. Conforme mostrado na Tabela 2, a areia do deserto tem um valor D10 semelhante ao da areia padrão, cerca de 220 μm. No entanto, os valores D90 da areia padrão e da areia do deserto são de cerca de 1800 μm e 740 μm, respectivamente.

 

 

Tabela 2. Valores percentuais típicos para a distribuição do tamanho das partículas

                                                        

Amostra	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
Dinâmica de areia do deserto análise de imagem	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
Dinâmica de areia padrãoanálise de imagem	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
Areia padrão - uma combinação de difração de luz e análise de imagem	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

Tabela 3. Parâmetros típicos de formato de partículas individuais

 

 

 

Exceto pelas diferenças de tamanho exibidas pela diferenciação a laser, há diferenças significativas na forma. De acordo com a análise da imagem dinâmica na Tabela 3, o diâmetro equivalente da areia do deserto é menor do que o da areia padrão. A grande diferença entre elas é o valor L/D. De acordo com a Figura 8, a areia padrão tem um valor L/D médio próximo a 1, mas o valor L/D da areia do deserto flutua em valores mais altos do que esse.

 

 

Figura 8. Distribuição do valor L/D da areia do deserto e da areia padrão

 

 

A areia do deserto não pode ser aplicada como material de construção devido à falta de partículas médias e grandes. Porém, se areias médias e grossas puderem ser adicionadas à areia do deserto na proporção correta, a areia do deserto poderá ser usada como substituto do material de construção.

 

 

Conclusão

 

O desafio mais significativo das medições de solo e sedimentos é medir com precisão as amostras amplamente distribuídas. A série Bettersizer S3 tem um sistema de análise de imagem dinâmica e um sistema de difração a laser, ideais para medir amostras de ampla distribuição de tamanho, como solos. O Bettersizer S3 Series fornece resultados confiáveis de tamanho e forma de partículas para atender às necessidades do cliente.

 

 

Referências

 

[1] Madhan Mohan.M e Prabhu Prasadini. 2019. Manual on Practical soil physics. Estação Regional de Pesquisa Agrícola, Pp 72.

 

[2] H. Zhang, X. Zhang, G. Zhang, K. Dong, X. Deng, X. Gao, Y. Yang, Y. Xiao, X. Bai, K. Liang, Y. Liu, W. Ma, S. Zhao, C. Zhang, X. Zhang, J. Song, W. Yao, H. Chen, W. Wang, Z. Zou e M. Yang (2022), Size, shape, and composition of lunar samples returned by Chang'E-5 mission, Sci. China- Phys. Mech. Astron. 65, 000000.

 

[3] Adequação de areias do deserto ou de reciclagem como matéria-prima para a produção de concreto. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

Sobre o autor

        

Xiurong Qiu Engenheiro de Aplicação da Bettersize Instruments