Estudios de adsorción y agregación de ácidos húmicos con minerales constituyentes del suelo en presencia de iones calcio

Abstract

Los microagregados de tamaño arcilla (< 2 m) y limo (2-50 m), que se generan por la interacción de la fracción mineral y el material orgánico, son la unidad básica de estructura en el suelo, y constituyentes de sedimentos y aguas. Las características de los microagregados son de gran importancia desde el punto de vista medioambiental en lo que respecta a procesos tales como erosión, transporte de partículas, formación de sedimentos, movilización de nutrientes y pesticidas y estabilización química de la materia orgánica. En esta tesis se estudia la interacción de los ácidos húmicos (AH), que forman parte importante de la materia orgánica, con la fracción mineral de tamaño arcilla (<2 m), ambos extraídos de un mismo suelo de la Región Semiárida Pampeana Argentina. Luego del capítulo 1 a modo introductorio, los capítulos 2 y 3 describen los procedimientos de extracción y caracterización del AH y de la fracción arcilla del suelo. Se aplican diversos métodos de caracterización para determinar la composición elemental, los grupos funcionales, las propiedades de carga y el tamaño de ambas fracciones. En el capítulo 4 se realiza un estudio cinético de agregación del AH evaluando el efecto del calcio a diferentes pH. Se utiliza espectroscopia UV-visible para determinar la fracción de AH agregado en función del tiempo y medidas de potencial zeta para determinar las propiedades de carga de las moléculas. Se propone un mecanismo de agregación de dos etapas, una unión rápida del calcio al AH y una formación lenta de agregados de moléculas AH-calcio. Se determina la concentración de coagulación crítica (CCC) de calcio para el AH en un valor 1+0,2 mM. En el capítulo 5 se estudia la adsorción/agregación del AH a la fracción arcilla del suelo, en presencia de calcio. Se cuantifica el AH y el calcio en solución luego de la adsorción por UV-visible y electrodo selectivo de iones calcio respectivamente. Se determina que bajas concentraciones de iones calcio favorecen la adsorción, mientras que altas concentraciones inducen la agregación del AH. Se propone el uso de gráficos novedosos para detectar el proceso de agregación. Se determina la CCC de iones calcio para el AH en presencia de la fracción arcilla en un valor 0,7 mM. El valor levemente inferior a la CCC del AH en ausencia de partículas sólidas, ocurre porque la superficie sólida actúa como centro de nucleación, favoreciendo la agregación. Finalmente en el capítulo 6 se analiza la cinética de sedimentación de la fracción arcilla del suelo, en presencia de iones sodio y calcio y AH. La sedimentación se monitorea empleando espectroscopia visible, una técnica fácilmente accesible en laboratorios de la especialidad. También se evalúa el tamaño de los agregados formados mediante Dispersión de luz dinámica. A partir de los datos cinéticos se construyen curvas de estabilidad de la fracción arcilla y se determina la CCC de sodio y calcio. No se observa efecto de la presencia de AH sobre la CCC de iones calcio.

Microaggregates of clay (<2μm) and silt (2-50 um) size are generated by the interaction of the mineral fraction and the organic material and they are the basic unit of the soil structure, and sediment and water constituents. Microaggregates are of great importance from an environmental point of view with regard to processes such as erosion, particle transport, sediment formation, mobilization of nutrients and pesticides and chemical stabilization of organic matter. In this thesis the interaction of humic acids (HA), which are an important part of organic matter with the mineral clay size fraction (<2 um), both taken from the same soil in the Semiarid Pampa Argentina Region is studied. Chapter 1 is introductory and background information is given. Chapters 2 and 3 describe the extraction and characterization of AH and clay soil fraction. Some characterization methods are applied to determine the elemental composition, the functional groups, the zeta potential and the size of both fractions. Chapter 4 shows a kinetic study of aggregation of AH by evaluating the effect of calcium at different pH. UV-visible spectroscopy is used to determine the fraction of HA aggregated as a function of time and zeta potential measurements are used for determining charge properties of the molecules. A mechanism for aggregation of two steps is proposed, fast attachment of calcium to AH and a slow formation of aggregates of molecules AH-calcium. The critical coagulation concentration (CCC) for calcium is 1 + 0.2 mM. Chapter 5 presents the adsorption and aggregation of AH to clay soil fraction studied in the presence of calcium by adsorption isotherms. HA and calcium in solution after aggregation are quantified by UV-visible and calcium-selective electrode respectively. It is determined that low calcium concentrations favor adsorption, while high concentrations induce aggregation of HA. The use of novel graphics intends to detect the aggregation process. Calcium CCC for AH is determined in the presence of the clay fraction at 0.7 mM. The CCC slightly lower than the CCC obtained in chapter 4 for AH in the absence of solid particles, takes place because the solid surface acts as a nucleation center, favoring aggregation. Chapter 6 shows deposition kinetics of clay soil fraction analyzed in the presence of sodium and calcium ions and AH. Sedimentation is monitored using visible spectroscopy, an easily accessible technique in laboratories. The size of the aggregates is also evaluated by Dynamic light scattering. From the kinetic data are constructed stability curves for clay fraction and CCC for sodium and calcium are determined. No effect of the presence of HA on CCC calcium was observed.