remediación de suelos tecnologico estudios superiores oriente del edo de mexicouniv

8/13/2019 remediación de suelos tecnologico estudios superiores oriente del edo de mexicouniv

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2011. ―AÑO DEL CAUDILLO VICENTE GUERRERO‖

CUADERNILLO DE APUNTES DE

―REMEDIACIÓN DE SUELOS‖ Clave:IAF-0429

Por Ing. Héctor Fernando Barbosa Amaya

Los Reyes, La Paz, Estado de México, agosto de 2011


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ContenidoContenido ........................................................................................................... 2Introducción ........................................................................................................ 7UNIDAD 1 Conceptos básicos ............................................................................ 9

1.1 Mecanismos de la contaminación del suelo .............................................. 91.1.2 Condiciones físicas del suelo ............................................................ 121.1.2.1 Materia orgánica ............................................................................ 131.1.2.2 Composición de la materia orgánica .............................................. 131.1.2.3 Función de la materia orgánica del suelo ...................................... 161.1.2.3.1 Propiedades físicas: .................................................................... 171.1.2.3.2 Propiedades químicas: ............................................................... 171.1.2.3.3 Propiedades biológicas: .............................................................. 171.1.2.3.4 Interacciones: ............................................................................. 181.1.2.4 Factores que condicionan el contenido de materia orgánica en lossuelos ........................................................................................................ 181.1.2.5 Procedencia de los componentes orgánicos del suelo .................. 191.1.2.6 Formas de vida microbiológica ...................................................... 201.1.2.7 Agua y componentes de sales. ...................................................... 211.1.2.8 Aire y gases ................................................................................... 211.1.2.9 Componentes minerales inorgánicos ............................................. 221.1.2.9.1 Arcillas ........................................................................................ 221.1.2.10 Capacidad de Intercambio Catiónico ........................................... 241.1.2.11 Adsorción preferente. .................................................................. 251.1.2.11.1 proporciones más frecuentes de cationes. ............................... 261.1.2.12 El pH del suelo. ........................................................................... 27

1.1.2.12.1 Saturación de bases y el pH del suelo. ..................................... 281.1.2.12.2 Iones intercambiables. .............................................................. 291.1.2.12.3 Iones no intercambiables. ......................................................... 291.1.2.13 Solubilidad ................................................................................... 291.1.2.14 Capacidad de Intercambio Catiónico. .......................................... 331.1.2.14.1 Mecanismo de intercambio de cationes .................................... 351.1.2.15 Adsorción ..................................................................................... 361.1.2.16 Temperatura del suelo ................................................................. 391.1.2.17 Dispersión .................................................................................... 421.1.2.17.1 Parámetros adimensionales que rigen el fenómeno. ................ 461.1.2.17.1 Movimiento de una partícula en un fluido: ................................ 51

Ley de Stokes. ........................................................................................... 511.2 CONTAMINACIÓN DEL SUELO ............................................................. 551.3.1 Impactos de la contaminación del suelo. .............................................. 56

1.3.1.1Contaminan los mantos acuíferos .................................................. 561.3.1.2 Impiden la producción de alimentos .................................................. 561.3.1.3Contaminan los cuerpos de agua ....................................................... 56

1.3.2.1 NOM-138-SEMARNAT/SS-2003 ................................................... 561.3.2.1 NOM-060-SEMARNAT-1994 ......................................................... 561.3.2.2 NOM-021-SEMARNAT-2000 ......................................................... 561.3.2.3 NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004 ............................................... 571.3.2.4 NOM-141-SEMARNAT-2003 ......................................................... 57

UNIDAD 2 Caracterización y monitoreo del sitio contaminado ........................ 582.1 Caracterización del suelo ........................................................................ 58


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2.1.1 Introducción ...................................................................................... 582.1.2.Conceptos Básicos ........................................................................... 582.1.2.1Propiedades Físicas ....................................................................... 582.1.3 El color del suelo .............................................................................. 592.1.3.1 Importancia .................................................................................... 59

2.1.3.2 Determinación del color ................................................................. 602.1.3.3 El sistema de colores Munsell ....................................................... 602.1.3.4 FACTORES QUE AFECTAN EL COLOR ...................................... 622.1.3.5 MÉTODO PARA IDENTIFICAR EL COLOR DEL SUELO ............. 632.1.4 Determinación de la textura, (Método de BOUYOUCOS)................. 632.1.4.1 Introducción ................................................................................... 632.1.4.1.1 Fracciones granulométricas ........................................................ 65Figura 2.1.4.1. Triángulo de Textura .......................................................... 662.1.5 La densidad de las partículas del suelo ............................................ 662.1.5.2 Conceptos Básicos ........................................................................ 672.1.5.3 Densidad del suelo ........................................................................ 68

2.1.4.4 DENSIDAD REAL .......................................................................... 69Volumen sólido + volumen poros Volumen total V t. .................. 702.1.6 Espacio poroso del suelo .................................................................. 712.1.6.1 Introducción ................................................................................... 712.1.7 ESPACIO POROSO DEL SUELO .................................................... 732.1.7.1 Importancia de la porosidad del suelo en la ingeniería ambiental . 752.1.8 La estructura del suelo. .................................................................... 762.1.8.1 Introducción ................................................................................... 762.1.8.2 Conceptos básicos........................................................................ 762.1.8.3 Clasificación de la estructura ......................................................... 772.1.8.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN THE UNITED STATES DEPARTAMENT

OF AGRICULTURE 1951. USDA 1951. .................................................... 772.1.8.5 Importancia de la estructuradel suelo en la ingeniería ambiental .. 812.1.9 La permeabilidad .............................................................................. 8121.9.1Introducción ..................................................................................... 812.1.9.2 Flujo de agua en el suelo ............................................................... 822.1.9.3 Regimen saturado.......................................................................... 822.1.9.4 Conductividad Hidráulica. .............................................................. 832.1.9.5 Regimen no saturado..................................................................... 842.1.9.5 Determinanción de las propiedades hidráulicas del suelo ............. 842.1.9.5.1Medida de la conductividad hidráulica saturada .......................... 842.1.9.5.2 Ensayos en laboratorio ............................................................... 852.1.9.6 Permeámetro de carga constante .................................................. 852.1.9.7 Importancia de la permeabilidad del suelo en la ingenieríaambiental ................................................................................................... 872.1.10 La agua higroscópica ...................................................................... 882.1.10.1 Introducción ................................................................................. 882.1.10.2 Conceptos basicos ....................................................................... 882.1.10.3 Subdivisiones del agua del suelo ................................................. 892.1.10.7 Los estados del agua en el suelo ................................................ 902.1.10.7.1El suelo seco.............................................................................. 902.1.10.8 Potencial del agua en el suelo ..................................................... 92

2.1.10.9 Importancia del contenido de agua en el suelo y en la ingenieríaambiental ................................................................................................... 932.1.11 Nitrógeno en suelos. ....................................................................... 93


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2.1.11.1 Introducción ................................................................................. 932.1.11.2 Conceptos básicos ....................................................................... 942.1.11.2.1 El ciclo del nitrógeno. ................................................................ 942.1.11. 3. Nitrificación. ............................................................................... 962.1.11.3.1Reducción del ión nitrato. .......................................................... 97

2.1.11.3.2 Desnitrificación. ......................................................................... 972.1.11.4 Fertilizantes nitrogenados ............................................................ 972.1.11.4.1Impacto ambiental del exceso de fertilizantes nitrogenados ...... 982.1.11.5 Importancia del contenido de nitrógeno en el suelo, en laingeniería ambiental. ................................................................................. 982.1.12 Fósforo disponible en suelos .......................................................... 982.1.12.1Introducción .................................................................................. 982.1.12.2 HIstoria ........................................................................................ 992.1.12.1 Ciclo del fósforo en la naturaleza ............................................... 1002.1.12.4. Formas de fósforo ..................................................................... 1032.1.12.6 Deficiencia o exceso de fósforo ................................................. 107

2.1.12.7 Importancia del fósforo en el suelo, en la ingeniería ambiental . 1072.1.13 Calcio y Magnesio extraíbles ........................................................ 1092.1.13.1 Introducción. .............................................................................. 1092.1.13.2 Conceptos básicos ..................................................................... 1092.1.13.2.1 Las enmiendas del suelo. ....................................................... 1092.1.13.3 Aumento en los niveles del pH. ................................................ 1092.1.13.4 Materiales usados para encalar. ................................................ 1102.1.13.5 El sobre encalado ..................................................................... 1112.1.14 Sodio y Potasio ............................................................................. 1142.1.14.1 Introducción ............................................................................... 1142.1.14.2 Formas de potasio en el suelo ................................................... 115

2.1.14.2.2 Movimiento del potasio en el suelo ......................................... 1162.1.14.3 Funciones del potasio ................................................................ 1172.1.14.4 Causas de las carencias minerales ........................................... 1172.1.14.5 Sintomas de deficiencia de potasio............................................ 1182.1.14.6 Determinación de nutrientes disponibles ................................... 1182.1.14.7 IMPORTANCIA DEL SODIO Y POTASIO EXTRAÍBLES EN LAINGENIERÍA AMBIENTAL ....................................................................... 1192.1.15 Intercambio Catiónico ................................................................... 1192.1.15.1 Antecedentes ............................................................................. 1192.1.15.2 Introducción ............................................................................... 1202.1.15.3 Conceptos básicos. .................................................................... 1202.1.15.4 Adsorción preferente. ................................................................ 1222.1.15.4 Proporciones más frecuentes de cationes ................................. 1232.1.15.5 El pH del suelo. .......................................................................... 1242.1.15.6 Saturación de bases y el pH del suelo. ...................................... 1242.1.15.7 iones intercambiables. ............................................................... 1262.1.15.8 iones no intercambiables. .......................................................... 1262.1.15.9 Capacidad de intercambio catiónico. ......................................... 1262.1.15.10 Mecanismo de intercambio de cationes ................................... 1282.1.15.11 Importancia de la capacidad de intercambio catiónico de lossuelos en la ingeniería ambiental. .......................................................... 129

2.1.16 pH y evaluación de la salinidad del suelo ..................................... 1292.1.16.1 Introducción ............................................................................... 1292.1.16.3 Salinidad del suelo ..................................................................... 132


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2.1.16.4 Suelos salinos ............................................................................ 1332.1.16.7 Factores que afectan el pH ........................................................ 1342.1.16.8 Evaluación de suelos salinos ..................................................... 1352.1.17 La microbiota ................................................................................ 1382..1.17.1Introducción ............................................................................... 138

2..1.17.2 Bacterias. .................................................................................. 1402.1.17.3 INFLUENCIAS AMBIENTALES ................................................. 1402.1.17.4 Actinomicetos. ........................................................................... 1432.1.17.5 Hongos. ..................................................................................... 1452..1.17.6 Algas. ........................................................................................ 1472..1.17.7 Protozoarios. ............................................................................. 1482.1.17.8 Importancia de la microbiota del suelo, en la ingeniería ambiental ................................................................................................................. 149

2.2 Monitoreo del suelo ............................................................................... 1502.2.1 Estrategia general del muestreo ..................................................... 1522.2.2 Tipos de muestreo .......................................................................... 158

2.2.2.1 Muestreo aleatorio simple. ........................................................... 1582.2.2.2 Muestreo aleatorio estratificado ................................................... 1582.2.2.3 Muestreo sistemático (en rejilla) .................................................. 1592.2.2.4 Muestreo geoestadístico. ............................................................. 1592.3 Reglas generales durante la toma de muestras ................................ 1622.3.1 Identificación de las muestras. ........................................................ 1622.3.2 Preservación y transporte de las muestras ..................................... 1632.3.3 Documentación ............................................................................... 1642.3.4 Levantamiento de suelo .................................................................. 1642.3.5 Contaminación ................................................................................ 165

Unidad 3 Generalidades sobre tecnologías de remediación del suelo .... 168

3.1 Introdución ............................................................................................. 1683.1.1 Datos requeridos para la remediación de suelos contaminados ..... 1693.1.2 Factores que inciden en la eficiencia de una tecnología deremediación ............................................................................................. 1703.2.1Las tecnologías de inmovilización. .................................................. 1713.2.2.Clasificación de tecnologías ........................................................... 1713.2.2.1Tratamiento Biológico ―In - situ. .................................................... 1713.2.2.1.1 Biodegradación. ........................................................................ 1713.2.2.1.2 Bioventeo .................................................................................. 1723.2.3. Tratamiento Físico- Químico “ In – situ” ......................................... 1723.2.3.1 Fracturamiento Neumático ........................................................... 1723.2.3.2 Flujo de un fluido en el suelo. ...................................................... 1723.2.3.3 Extracción de vapor del suelo ...................................................... 1723.2.4 Tratamiento térmico “in- situ” .......................................................... 1723.2.4.1 EVS Térmicamente Reforzado .................................................... 1723.2.4.2 Vitrificación ―In – Situ‖ .................................................................. 1733.2.5 . TRATAMIENTO BIOLÓGICO “EX –SITU” .................................... 1733.2.5.1 Composteo .................................................................................. 1733.2.5.2 Tratamiento Biólogico, fase sólida controlada, labranza delsuelo (Land Farming) ............................................................................... 1733.2.5.3 Reactores de lodos activados ...................................................... 173

3.2.6 TRATAMIENTO FÍSICO –

QUÍMICO “EX SITU”

............................ 1733.2.6.1 Oxidación / Reducción química. .................................................. 1733.2.6.3 Extracción de vapor del suelo (EVS) ........................................... 174


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3.2.6.4 Extracción por solvente. ............................................................... 1743.2.7 TRATAMIENTO TÉRMICO ―EX SITU‖ ........................................... 1753.2.7.1 Desorción térmica por alta temperatura ....................................... 1753.2.7.2 Descontaminación por gas caliente ............................................. 1753.2.7.3 Incineración ................................................................................. 175

3.2.7.4 Desorción térmica por baja temperatura ―Pirolisis ....................... 1753.2.7.5 Vitrificación .................................................................................. 1753.2.8 OTROS TRATAMIENTOS .............................................................. 1753.2.8.1 Excavación / Disposición fuera del sitio. ...................................... 1763.2.8.2 Atenuación natural. ...................................................................... 176

Glosario .......................................................................................................... 179REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 190INDICE DE TABLAS ....................................................................................... 193INDICE DE FIGURAS ..................................................................................... 194


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IntroducciónEste cuadernillo pretende cubrir los aspectos más importantes de la

asignatura ―Remediación de suelos‖, ajustándose al programa vigente delTESOEM y se espera que al final del mismo los estudiantes y docentes quehagan uso de él satisfagan todos los objetivos que se persiguen como son:Estar familiarizados con los conceptos y mecanismos que se manejan en la―Remediación se suelos‖; que queden debidamente adiestrados en la obtenciónde de parámetros referentes a la física del suelo; que desarrollen la habilidadnecesaria para solucionar problemas de potencial, de dispersión cuyasfronteras no sean conocidas; y por último que estén motivados para tratar con

problemas particulares complicados.

La exposición de los temas se ha programado para cubrir las 38 horas – sesiones, que cubrirán la teoría y solución algunos problemas de aplicación.

Se ha dividido el presente cuadernillo en: Unidad 1. Conceptos Básicos,1.1 El suelo y sus características, 1.2 Contaminación del suelo, 1.3 Impactos dela contaminación del suelo, 1.4 Marco Legal en materia de contaminación delsuelo. Unidad 2. Caracterización y monitoreo del sitio contaminado. 2.1Caracterización del sitio, 2.2 Monitoreo del sitio. 3. Generalidades sobretecnologías de remediación de suelos.

La tierra es única entre los planetas del sistema solar debido a su agua,oxígeno libre y vida. La pirámide completa se soporta en un complejo deinteracciones y cambios en agua, aire, suelo y vida. En la cúspide de estapirámide se encuentra el ser humano que a través de su evolución comenzó aver la naturaleza como un enemigo, a quién trato de conquistar combatiendoplagas, controlando ríos. Ahora es posible para el humano, por medio de larevolución industrial, producir todos los materiales necesarios para susupervivencia, y la competencia con la naturaleza no se hace ya necesaria. Poreste hecho la contaminación sobre el agua, aire y suelo, con desechosproducidos por el hombre se ha incrementado a tal grado que amenaza con laeliminación de la vida misma. En la actualidad muchos de los cambios e

interacciones de la pirámide completa de la vida son desconocidos, así comosus efectos sobre la propia vida.

Nuestra sociedad en su totalidad se apoya en -y depende de- nuestraagua, nuestro suelo, nuestros bosques y nuestros minerales.

El suelo no es una simple tierra, que no desea esté en sus manos, en suropa o alfombra, hasta se vive inconscientemente de él, pero una gran cantidadde organismos, incluido el hombre dependen del suelo.

El suelo es el conjunto de partículas naturales sobre la corteza terrestreque sirve de soporte a las plantas y otras formas de vida, con un límite inferiorque coincide con el de los minerales o materia orgánica.


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Los nutrientes de nuestros alimentos provienen del suelo. El sueloproporciona también madera, papel, algodón y muchos otros minerales ymateriales vitales, además de que ayuda a purificar el agua que bebemos,sirviendo como almacén en los mantos acuíferos

Los organismos degradadores del suelo reciclan los compuestos químicosclaves que necesitamos nosotros y otras formas de vida. Por lo que el suelo esla base de la vida y la civilización.

Con la agricultura se ha abusado de este recurso por el mal manejo yutilización de los fertilizantes, plaguicidas y pesticidas.

El cómo utilicemos éste recurso influye en nuestra salud, seguridad,economía y bienestar del ser humano. Por lo que como futuro ingeniero Ambiental debemos de tener la preocupación por este elemento tan valiosopara la humanidad, que es el que nos proporciona los alimentos para los más

de 6 800 millones de habitantes del globo terráqueo actualmente.


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UNIDAD 1 Conceptos básicos1.1 Mecanismos de la contaminación del suelo

Se ha encontrado que el suelo actúa como un sumidero para muchoscontaminantes por efecto de sus microorganismos o de sus propiedades

químicas. Los experimentos realizados con anterioridad indican que elmonóxido de carbono del aire se debe principalmente a mecanismosbiológicos.

Posteriores experimentos que se hicieron en el suelo, indicaron que loshidrocarburos pueden ser eliminados mediante microorganismos, en cambio laeliminación de dióxido de azufre se debe a reacciones químicas.

A I R E

S U E L O

LLuvía

SEDIMENTACION

Reacción Química

Descomposición

Polvos

DISPOSICIÓN

DECONTAMINANTES

DEL

AIRE

DISPOSICIÓN

DE

DESECHOS

SÓLIDOS

Figura 1.1.1 Algunas interacciones de contaminantes entre el aire y el suelo

La materia particulada en el aire se transfiere también al suelo, así comoal agua, por efecto de la acción de la gravedad y de la precipitación. Otro tipode contaminantes colectados en ―lavadores‖ de aire, filtros o precipitadoreselectrostáticos se depositan sobre el suelo. Un problema particular originadoalrededor de ciertas industrias que producen desechos que contienen fluorurosocasiona efectos venenosos sobre animales que se alimentan de pastos, enespecialmente el ganado, atacando sus dientes y huesos.

A su vez el suelo contamina al aire cuando un relleno sanitario se operamal y se producen olores producto de esos rellenos sanitarios sin control, ocuando se quema basura a cielo abierto, consciente o inconscientemente.(Ver

figura 1.1.1


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Existen también varias interacciones e intercambios de contaminantesentre los sistemas del suelo y agua. La transferencia de contaminantes delsuelo al agua se debe principalmente a líquidos ―percolados‖. El término―percolados― se aplica al producto del proceso de extraer un material soluble enagua, de un sólido.

El agua con contenido orgánico es una fuente potencial particular decontaminación del agua subterránea, cuando se introduce a un acuífero.

A G U A

S U E L O

INCORPORACION

POR

SEDIMENTOS

LIQUIDOS

PERCOLADOSDRENAJES

DISPOSICIÓN

DE

CONTAMINANTESDEL

AGUA

DISPOSICIÓNDE

DESECHOSSÓLIDOS

Figura 1.1.2 Algunas interacciones de contaminantes entre los sistemas del agua y elsuelo.

Los nutrientes de algas como son los nitratos y fosfatos puedentransformarse en líquidos percolados a partir del suelo, y depositarse encuerpos de agua tales como:

Ríos Lagunas Lagos Presas

Arroyos

Las principales fuentes de nutrientes son los fertilizantes agrícolas y losalimentos para ganado. Cuando se depositan en los cuerpos de agua estimulanel crecimiento de algas produciendo la eurtroficación.

Otros elementos tales como plomo, mercurio cadmio (metales pesados)pueden convertirse en líquidos percolados a partir de depósitos de desechosde sólidos industriales o peligrosos creando formas de contaminación del agua.Como puede apreciarse en la figura 1.1.2

Los contaminantes del agua pueden eliminarse por varios métodos comoson:


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La filtración a través de rocas La producción de nuevas rocas por sedimentación

Teniendo como ejemplo las rocas ácidas que son neutralizadas alreaccionar con rocas básicas, tales como las calizas.

Cuando los contaminantes inorgánicos finalmente de los ríos alcanzan lamar, ocurren reacciones de equilibrio entre:

Dióxido de carbono - bicarbonatos - carbonatos

Carbonatos que pueden diluir rápidamente materiales ácidos y causarprecipitados en forma de metales pesados que se sedimentan en el fondo de lamar.

La contaminación del suelo se debe principalmente a las causassiguientes:

a) Contaminación por desechos industriales tóxicos o peligrosos vertidos alsuelo que contienen compuestos químicos, elementos traza, metalesradiactivos o que se encuentran a temperaturas elevadas; infiltración deagua de lluvia a través de confinamientos controlados y accidentes, talescomo: roturas de líneas de conducción de químicos.

b) Contaminación de desechos sólidos domésticos vertidos sobre el sueloo dispuestos mediante rellenos sanitarios mal diseñados, a los cuálesles llueve, el agua de lluvia se infiltra y produce líquidos percoladospasan al suelo; accidentes tales como roturas que producen fugas entanques sépticos y sus tuberías.

c) Contaminación por desechos agrícolas diluidos principalmente por laescorrentía de irrigación o de lluvia que arrastran fertilizantes, minerales,sales y plaguicidas.

d) Contaminación por accidentes de buques tanque que transportan

petróleo y derraman grandes cantidades sobre las costas.e) Accidentes de los pozos petroleros ya sea en tierra firme o en aguas

profundas de los océanos y que finalmente llegan a las costas.f) Los residuos minero – metalúrgicos, denominados ―jales‖ de todos

tratamientos de minerales

g) Degradación del suelo por uso intensivo de un mono cultivo y por lacontaminación de agroquímicos y paguicidas

A continuación se presenta un listado de indicadores de contaminación que através del suelo puede introducir el agua de lluvia.


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- Sólidos totales disueltos

- Sólidos suspendidostotales- Demanda bioquímica de

oxígeno- Hidrocarburos- Nitrógeno- Detergentes- Fenoles- Sulfatos- Sulfatos- Nitratos

- Nitritos- Amoniaco- Dióxido de carbono libre- Bicarbonatos- Fierro (ferroso o ferríco)- Manganeso- Sodio- Potasio

- Calcio

- Magnesio- Dureza total- Cloruros- Fluoruros- Fosfatos- Zinc- Plomo- Cobre- Arsénico- pH- Selenio

- Mercurio- Cromo

1.1.2 Condiciones físicas del suelo

Puede definirse al suelo como un agregado natural de granos mineralesque pueden ser separados por medios mecánicos suaves como la agitación deagua, pero de tal naturaleza y, tan dinámico que puede adquirir ciertaspropiedades físicas, químicas y biológicas, dependiendo de los elementos queactúen sobre él.

Los pueden dividirse en dos grandes grupos:

Aquellos que son el resultado de físico y químico de la roca intemperizaday aquellos que son principalmente de origen orgánico. Si los productos de laroca se encuentran en el sitio en que se originaron se llaman ―suelosresiduales‖, de otra forma se denominan ―suelos transportados‖, sin importar elagente que los transporto.

La profundidad de los suelos residuales depende de las condicionesclimáticas y del tiempo de exposición. Donde la capa superficial productiva desuelo es un biosistemas constituido por:

a) Materia orgánica en varias etapas de descomposición.b) Formas de vida macro y micro biológica que participan en la

degradación de materia orgánica, así como en la síntesis de los

nutrientes de las plantasc) Agua y componentes de sales disueltas


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d) Aire y gasese) Componentes minerales inorgánicos no solubles en aguas, como son:

arenas, limos y arcillas en varias combinaciones.

1.1.2.1 Materia orgánica

La materia orgánica del suelo se encuentra estrechamente relacionadacon la productividad agrícola. Las mejores condiciones físicas, químicas ybiológicas para los cultivos se encuentran preferentemente en suelos con altocontenido de materia orgánica.

La materia orgánica procede directamente o indirectamente de las plantassuperiores y, en pequeña proporción, de otros organismos –algas y bacterias-capaces de sintetizar productos orgánicos a partir de elementos inorgánicos ycompuestos simples. Los materiales orgánicos que sintetizan las plantas seconsumen por una gran variedad de seres vivos, quienes los degradan

parcialmente o los transforman en nuevos compuestos orgánicos dentro de lacadena alimenticia, y finalmente los depositan como restos vegetales yanimales en el suelo, en donde los microorganismos y otras reaccionesquímicas los transforman a compuestos más simples de menor energía.

1.1.2.2 Composición de la materia orgánica

De acuerdo con el estado de descomposición, la materia orgánica delsuelo puede clasificarse en tres categorías: seres vivos, hojarasca y humus.

En la práctica los límites entre estas categorías no son diferenciados conclaridad, por lo que esta clasificación puede catalogarse como conceptual.

1. Seres vivos. Generalmente depende de las condiciones del suelo parasu desarrollo. Las plantas son el grupo más importante de estacategoría, el material que rodea a sus raíces vivas o en descomposicióncontiene gran cantidad de macro y microorganismos.

2. Hojarasca. Esta constituida por cualquier tipo de m.o. en proceso dedescomposición rápida. Los cuales son descompuestos por losmicroorganismos del suelo, primero en forma rápida, mientras la

población microbiana crece y posteriormente en forma lenta, cuando losproductos residuales son más resistentes a la descomposición ydisminuye la disponibilidad de alimento. Al proceder la descomposiciónde la m.o. se genera el humus.

3. Humus. Parte de la materia orgánica más resistente a la descomposiciónrápida, compuesta principalmente por ligninas, aminoácidos,carbohidratos, celulosa, emicelulosa, grasas, ceras, resinas y otroscompuestos. Aproximadamente el 56% del humus es carbón; el 35%oxígeno, el 3.5% hidrógeno, y tiene una relación Carbón / Nitrógeno10/1, su relación Carbón / Fosfóro y Carbón /azufre es de 100/1. La

coloración es casi negra; sus tipos dependen del material descompuestoy del medio ambiente.


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La concentración mayor de m.o. se encuentra generalmente en el suelosuperficial debido a que en esta parte del suelo crecen las raíces y lascondiciones de humedad, fertilidad, aireación y temperatura son másadecuadas para los seres vivos.

La concentración de la m.o. varía con la época del año; es mayor cuando lalluvia y la temperatura favorecen el crecimiento de las plantas y la velocidad dedescomposición de este material es lenta. Lo cual se puede apreciar en losdatos de la tabla 1.1.1

Tabla 1.1.1.. Clasificación de la materia orgánica del suelo, según el método de

Walkley-Black

Clase Materia Orgánica (%)Extremadamente pobre 0.00- 0.60

Pobre 0.61-1.20

Medianamente pobre 1.21-1.80Mediano 1.81-2.40

Medianamente rico 2.41-3.0Rico 3.01-4.20

Extremadamente rico > 4.20

Muchas de las características de los suelos están determinadas por eltamaño de las partículas minerales y por el área superficial que presenta. Talescaracterísticas pueden ser gradualmente modificadas por la materia orgánica,de modo especial por el humus, cuya capacidad de intercambio catiónico varíadesde 100 a 400 me/100 g (Narro, 1994).

La falta de uniformidad en la terminología, se debe a la heterogeneidaddel material que la compone, por lo tanto, se muestra otra definición de lacomposición de la materia orgánica.

La materia orgánica de un suelo se compone de:

Materia Orgánica fresca (m.o. no humificada): materia prima para laformación de las sustancias humicas. Está integrada por: Biomasa vegetal (mayoritaria) senescente (necromasa) procedente de la

parte aérea de la vegetación y las raíces, y de restos, deyecciones ysecreciones de animales. Constituye una fuente de energía para lascomunidades saprófitas que la consumen.

Biomasa microbiana, masa de microorganismos y microfauna menores de5 x 10 -3 μm. Esta muy poco o nada alterada y no se encuentra unida a lafracción mineral. Se puede separar por procedimientos físicos.

Humus: Se encuentra constituido por sustancias resultantes de laalteración (desnaturalización, desorganización y cambios en la funcionalidad)de productos sintetizados por las plantas y los microorganismos. Con unionesdébiles con la fracción acción mineral.


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Materias orgánicas heredadas (sustancias no húmicas,biomacromoléculas con características químicas reconocibles):

Materiales orgánicos sencillos: azúcares y amioácidos. Materiales orgánicos de elevado peso molecular:

polisacáridos y proteínas.

Materias orgánicas humificadas (sustancias húmicas o humus ensentido estricto, materiales transformados que han perdido lascaracterísticas químicas de sus precursores) (Porta, 2003).

La m.o. puede incluir gran cantidad de compuestos químicos, los quepueden ser descompuestos a una velocidad que depende de los siguientesfactores:

a) Naturaleza, composición y tamaño de las partículas orgánicasb) Tamaño de la población microbiana del suelo y tipo de

microorganismos presentes.

c) Disponibilidad de nutrimentos y fuente de carbón, incluyendo larelación C/N, para los microorganismosd) Contenido de humedad en el suelo y su disponibilidade) Temperatura y sus variacionesf) Reacción –pH- del suelog) Contenido de oxígeno en el aire del suelo y aireaciónh) Contenido y concentración de sustancias inhibidoras del

crecimiento microbiano (Narro, 1994).i)

La relación C/N entre el contenido de carbono orgánico (C) y el denitrógeno (N), determina la tasa a la cual el nitrógeno estará disponible para lasplantas, por lo que se puede utilizar como indicadores de calidad de m.o. demedios aerobios, si sólo se atiende a la facilidad de descomposición. El valorde esta relación es muy alto para la m.o. fresca y va disminuyendo a medidaque la m.o. se transforma en humus, como se muestra en la tabla 1.1.2

Tabla 1.1.2 Valores de relación C/N

Materia orgánica C/N Materia Orgánica C/NBacterias 4-5 Residuos de trébol 23Hongos 9 Heno de alfalfa 25Humus 8-12 Mantillo de bosque 30

Mantillo de jardín 12-15 Tallos y hojas de maíz 60 Alfalfa joven 12 Paja de trigo 80Compost 15-20 Paja 90-110Leguminosas maduras 20 Xenobióticos ≥ 120 Estiércol maduro 20 Serrín > 250

La relación entre la capacidad de intercambio cationico y el carbono puedentambién utilizarse de indicador de calidad de la m.o.(materia orgánica).

Por lo general, se considera que la actividad microbiana se ve favorecida conla presencia de compuestos hidrosolubles fácilmente metabilizables, y con la

disponibilidad de nitrógeno, lo que corresponde con valores C/N (Carbono /Nitrógeno) bajos. No obstante, puede tener mayor importancia en la alteración


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de la m.o., ya sea la presencia de sustancias inhibidoras de la actividadmicrobiana, tales como taninos condensados, fenoles tóxicos, resinas,terpenos, ácidos orgánicos, entre otros, ya sea el desorden estructural en lassustancias macromoleculares. Los tres aspectos no resultan excluyentes y endefinitiva, son los que permiten explicar las distintas tasas de descomposición

de la materia orgánica.

La materia orgánica que procede de plantas herbáceas y de bosques defrondosas copas se consideran ―mejorante‖ o de ―alta calidad‖, por ser dedescomposición rápida. Por el contrario, en bosques de piceas, pinos y bajovegetación de brezos, la m.o. se considera acidificante o de ―baja calidad‖(figura1.1 2.1), al ser de descomposición más lenta (Porta, 2003).

Figura 1.1.2.1 Bosque

La materia orgánica no húmicas incluyen aquellas sustancias cuyascaracterísticas químicas resultan identificables, tales como glúcidos, proteínas,péctidos, aminoácidos, grasas, ceras, poliésteres y ácidos orgánicos de bajo

peso molecular (Porta, 2003). La mayoría de estas sustancias son fácilmentebiodegradables por encimas especificas, por lo que persistirán poco tiempo enel suelo. Pueden incluir además, las ligninas, si bien su comportamiento dealteración se diferencia de las restantes.

Las sustancias húmicas, humus en sentido estricto, suponen entre un 60 y un80% de la materia orgánica. del suelo (Porta, 2003). Son el producto de laalteración de la m.o. (procesos de humificación) por acción microbiana y porprocesos abióticos. Constituye la fracción más activa de la m.o. de los suelosagrícolas. Se trata de una mezcla compleja de compuestos orgánicos decomposición diversa:

Biomacromoléculas: compuestos de origen biosintético de estructura molecularrelativamente definida.Sustancias de estructura no especifica: No se puede precisar su composiciónquímica ni los grupos funcionales que las integran (estructura desordenada ocaótica); tienen composición no estequiométrica, si bien se pueden definir entérminos estadísticos.

1.1.2.3 Función de la materia orgánica del suelo

Las funciones del suelo se ven directamente afectadas por la cantidad y lacalidad de la m.o. que contiene. Por ello, la m.o. es un contribuyente y unindicador de la calidad del suelo (Porta, 2003).


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La atención que ha merecido la m.o. se debe a que influye en múltiplespropiedades de los suelo, a pesar que la mayoría de ellos suponga unacantidad porcentualmente mayor, dependiendo de la categoría de suelo de quese trate. La m.o. tiene incidencia sobre propiedades físicas, química, biológicas

y da lugar a múltiples interrelaciones:

1.1.2.3.1 Propiedades físicas: Estructuración Sellado y encostramiento de la superficie del suelo Porosidad y aireación Movimiento del agua en el suelo Capacidad de retención de agua disponible para las plantas. El efecto de la m.o. es de mayor importancia en los suelos de

textura más gruesa. Facilidad de laboreo El oscurecimiento de la superficie de los suelos a medida que el

contenido en m.o. es mayor hace disminuir el albedo, al ser menor laradiación reflejada, con incidencia sobre las propiedades térmicas(temperatura y balance de energía) del suelo.

Prevención de los procesos erosivos

1.1.2.3.2 Propiedades químicas:

Proceso de intercambio iónico Capacidad tampón frente a los cambios de pH Estabilización de nutrientes en forma orgánica (N,P y S) Formación de complejos órgano minerales Interacciones con xenobióticos Papel depurador frente a vertidos, al regular la movilidad y

biodisponibilidad de productos potencialmente tóxicos, lo que incidesobre la calidad de las aguas freáticas.

1.1.2.3.3 Prop iedades b iológicas : Interviene en la formación del suelo Constituye una reserva de energía metabólica, por las grandes

cantidades de C y de nutrientes que contiene. Fuente de macronutriente (N, P y S) y micronutrientes (B, Mo),

que son liberados en forma progresiva. Estimula e inhibe la actividad enzimática, según los casos Contiene reguladores del crecimiento de las plantas Efectos antibióticos frente a organismos patógenos (efecto

biofumigante) Contribuye a la resilencia de los ecosistemas, al disminuir o inhibir

los efectos de las perturbaciones ambientales, y de este modo acelerasu recuperación.


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1.1.2.3.4 Interacciones:

Condiciona el funcionamiento biogeoquímico de los ecosistemas Define los tipos ecológicos de humus y procesos edafogénicos

derivados Aumenta y permite definir la calidad de un suelo Mejora la capacidad de los suelos para soportar la producción de

alimentos y biomasa, por su incidencia sobre la fertilidad química, alalmacenar nutrientes y hacerlos más disponibles para las plantas ysobre la fertilidad física.

Componente clave en la sostenibilidad/sustentabilidad de lossistemas agrícolas

Cambio global: secuestro de C de muchos suelos Efectos no deseados derivados de la incorporación de m.o. al

suelo: bloqueo de nitrógeno que sigue a una incorporación de m.o.fresca.

Por todo ello, se puede afirmar que la m.o. presente en el suelo como enla figura 1.1.2.2.4 constituye un indicador importante de la calidad del suelo yde su productividad (Porta, 2003).

Figura 1.1.2.2.4 Presencia de materia orgánica

1.1.2.4 Factores que condicionan el contenido de materia orgánicaen los suelos

El Contenido de m.o. en un epipedión varía de menos de un 1% en suelosde regiones áridas, a más del 10% en suelos de pradera y más de 30% entodos los suelos orgánicos (Porta, 2003). Los factores que influyen en elcontenido de m.o. son:

Vegetación. Determina la cantidad de necromasa aportadaanualmente y su calidad. Los residuos de plantas aportados al suelovarían según el ecosistema de que se trate.

Clima. Condiciona el tipo de especies vegetales, la producción debiomasa y el grado de actividad microbiana. En zonas áridas ysemiáridas: poca vegetación, por consiguiente, poca masa orgánica. Enzonas frías la masa orgánica tiende a acumularse. En zonas tropicaleshúmedas: muchos aportes, pero también mineralización muy rápida.


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Organismos del suelo. Intervienen en la alteración de la masaorgánica y en su mezcla con la materia mineral (bioturbación).

Posición en una ladera. Erosión. Drenaje. La masa orgánica se descompone mal y tiende

acumularse en suelos mal aireados en los que falta oxígeno; en aquellos

que están permanentemente saturados de agua se puede formar unsuelo orgánico. Textura. Los suelos de textura arcillosa suelen tener más m.o. al

retener más agua y nutrientes, lo que favorece la producción debiomasa.

Composición mineralógica de las arcillas. Es importante por ladistinta afinidad de adsorción o complejación de las moléculasorgánicas, lo que puede suponer un efecto protector frente a la acciónde los microorganismos.

Estructura del epipedión. Aireación, enraizamiento, etc. Laboreo. La puesta en cultivo con roza, tumba y quema o el paso

de pradera a cultivo implica una perdida de m.o., ya sea por menoresaportaciones de m.o. al suelo, por perdida por erosión o por una mayorentrada de oxígeno al labrar. La disminución de laboreo por lo general,incrementa el almacenamiento del carbono y el consiguiente contenidode m.o. del suelo (Porta, 2003).

1.1.2.5 Procedencia de los componentes orgánicos del suelo

Los componentes orgánicos de los suelos proceden de aportes y desíntesis biótica y abiótica:

Biomasa que vive en el suelo y su micromasa Acumulación de restos de plantas y animales Biomasa senescente incorporada de forma natural a los suelos en

cualquier ecosistema Materiales orgánicos de origen biológico aportados por el hombre

en los agros ecosistemas: estiércoles, restos de cosecha, compostas,animales muertos y microorganismos.

Productos xenobiótico: son aquellos de naturaleza orgánicaresultantes de síntesis industrial. Los más frecuentemente incorporadosa los suelos son los fitosanitarios y, en menor medida, plásticos y papel.También se puede incluir aquí el carbón procedente de incendios

Macromoléculas resultantes de los procesos de alteración y dehumificación (figura 1.1.2.6.1) (degradación, reorganización, etc.).

Síntesis abiótica.


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Figura 1.1.2.6.1 Descomposición de la materia orgánica

1.1.2.6 Formas de vida microbiológica

El suelo fértil esta habitado por sistemas de raíces de plantas superiores,formas de vida animal (roedores, tuzas, insectos, lombrices, hormigas,actinomicetos ) y un número de más de seis ceros de micro organismos. Lo

cual se muestran los datos en la tabla 1.1.2.7.1Tabla1.1. 2.7.1 Poblaciones del suelo.

Microorganismos Número de microorganismos / gramos desuelo fértil agrícola

Bacteria (Cuenta directa) 2 500, 000 000 Actinomicetos 700 000Hongos 400 000 Algas 50 000Protozoarios 30 000

La población bacteriana del suelo excede a cualquier otra, encontrándose:

AutotrofosHeterotrofosMesofilosTermófilosPsicrofilos Aerobios

AnerobiosDigestores de celulosasOxidadotes de azufreFijadores de nitrógenoDigestores de proteínas

Los géneros predominantes de actinomicetos son:

Nocardía, Streptomyces, Nitrosomas quienes son responsables del olorhúmedo de la tierra de campo, son capaces de biodegradar muchas sustanciasquímicas complejas, así como sintetizar y eliminar antibióticos

Los hongos son más abundantes cerca de la superficie donde prevalece lacondición aeróbica, existen en estado micelial y esporico. Descomponen losconstituyentes mayores de los tejidos de las plantas, tales como las celulosas ylas ligninas. Las levaduras no son muy abundantes, excepto en los viñedos.

Las algas que se presentan en el suelo son del tipo verde (clorofilas), las azul -verde (cianofitas), las diátomitas. Su naturaleza fotosintética cuenta para su


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predominancia sobre la superficie y justo bajo la capa superficial del suelo.Sirven principalmente sobre suelos erosionados donde principian a formarmateria orgánica, se han encontrado en suelos desérticos; fijan también elnitrógeno en el suelo.

La mayoría de los protozoarios del suelo son flagelados y amoebas, tienensignificancia, ya que su modo dominante de nutrición es el ingerir bacteriasmanteniendo el equilibrio de la forma microbiana del suelo.

1.1.2.7 Agua y componentes de sales.

Los sistemas de agua y aire componen gran parte del suelo como seindica en la siguiente tabla 1.1.2.8.1

Tabla tabla 1.1.2.8.1 Sistemas de los componentes del suelo

aire 25 %agua 25 %mineral 50%

materia orgánica

El agua de los suelos con los sólidos y gases disueltos en ella, se le consideracomúnmente como la ―solución del suelo‖. Puede dividirse en solución interna ysolución externa, la primera se refiere a al agua que se encuentra en intimocontacto con las partículas del suelo, principalmente con la fracción coloidal, enlas cuales la concentración y composición de los solutos están más o menosen equilibrio con la fase sólida del suelo. La solución externa se considera allíquido presente en los espacios capilares grandes y que está mucho diluidaque la interna. Esta solución no es homogénea en cuanto a concentración,existiendo distintas especies iónicas en solución en los distintos puntos delsuelo. La solución que se encuentra más cercana de las partículas del suelo esla más concentrada, disminuyendo conforme aumenta la distancia.

Esta composición y concentración cambia constantemente, diluyéndose con lalluvia y concentrándose con la evaporización y la transpiración.

1.1.2.8 Aire y gases

El movimiento del gas en el suelo es importante por varias razones. Eloxigeno debe moverse hasta la raíz de las plantas para permitir su crecimiento.El CO2 liberado por las raíces cuando toman el oxigeno debe eliminarse delsuelo. La mayor fuente de suministro de oxigeno al suelo es de la atmósfera. Elmovimiento de los mencionados gases es por difusión.

El suelo tiene capacidad para adsorber cantidades substanciales de SO2,H2S, CH3SH (metil mercaptano), CO2, etileno y acetileno.

Se expresa como mg – gas / gr de suelo, las tasas de adsorción de esos

gases y la cantidad de gas adsorbido no tienen correlación significante con elpH, el contenido de materia orgánica o contenido de arcilla.


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Llegando a la conclusión que los microorganismos del suelo son losresponsables de la adsorción de CO2, C2H4, y C2 H2.

1.1.2.9 Componentes minerales inorgánicos

1.1.2.9.1 Arcillas

La matriz sólida del suelo esta constituida por arena, limo arcilla y materiaorgánica. Debido a su área superficial relativamente pequeña, los limos y lasarenas son esencialmente no reactivos. Estas fracciones proporcionan unmarco que contenga a las arcillas, pero sirven como filtro.

Las arcillas y la materia orgánica son extremadamente reactivasdeterminando así el grado de aceptación de los efluentes de agua residualespor parte del suelo.

Las arcillas se definen generalmente como partículas minerales quetienen un diámetro efectivo de 2 μ. Estas partículas tienen un área superficialenorme relativa a su masa (algunas de más de 800 m2 por gramo), songeneralmente cristalinas ocasionado por los aniones de O y OH unidos a loscationes de aluminio y sílice, y que originan que las arcillas tengan una carganegativa interna que se muestra como una Capacidad de IntercambioCatiónico. Otra referencia de las arcillas es que las dimensiones horizontalesde estás partículas son mucho más grandes, que en el sentido vertical.

Los signos negativos representan sitios de cargas negativas que debende ser neutralizados por cationes y las cargas positivas representan cationes.

En la Caolinita las regiones las regiones denotadas por 1, no existendebido a que las capas unitarias individuales se encuentran firmemente unidasentre si. Como se muestra en la figura 1.1.2.9.1 y en la figura 1.1.2.9.2 dondese muestra una especie de caolinita al microscopio electrónico.

14

2

1

5

3

6

1,2,3,4,5 y 6

Son átomos de oxigeno

u oxhidrilo con un átomo de

Aluminio en el centro

5

1

4

6

2 3

Figura 1.1.2.9.1hojas de Aluminiode arcillas minerales

Las capas unitarias individuales pueden expandirse o contraerse, conservandosu posición relativa permitiendo que el agua se mueva entrando o saliendo de

la región 1.


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La fuerza de atracción de cationes de la partícula de arcilla depende de:-La valencia-El tamaño, incluyendo el agua periférica.

Como a continuación se indica:

Si 4+ 0.39 A° Al 3+ 0.57 A°Fe 3+ 0.67 A°Mg 2+ 0.78 A°Ca 2+ 1.06 A°Na + 0.98 A°

K + 1.33 A°OH- 1.32 A°O 2- 1.32 A°

F- 1.33 A°Cl - 1.81 A°

Los cationes de alta valencia son atraídos con mayor fuerza que los de menorvalencia, y los cationes pequeños son atraídos más fuertemente que losgrandes, suponiendo igual valencia.

La figura 1.1.2.9.2 muestra la distribución dimensional de cationes a un sololado de una partícula de arcilla en un sistema húmedo. La concentración decationes es mayor cerca de la arcilla y disminuye con la distancia. Estadistribución se establece por combinación de la fuerza de atracción deCoulomb y las fuerzas de repulsión debidas a la concentración y se conoce

comúnmente como la doble capa difusa.

++ ++ + ++ + + + ++ + + + + ++ + + + ++ + ++ ++ Distancia de arcilla

Figura 1.1.2.9.2 Distribución dimensional de cationes a un solo lado de una partícula de

arcilla.

Un método conveniente para describir la influencia de los ionesintercambiables en el sistema del suelo o en el agua añadida al suelo, esconsiderar la relación de sodio iones divalentes. Se describe en términos de la

relación de adsorción de sodio.

P ARTÍCUL A


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RAS =

2

Mg Ca

Na fórmula 2.8.1

Como regla general un RAS de 15 o mayor debe considerarseinaceptable.

Sin embargo, existe una diferencia, dependiendo del tipo de arcilladominante, por ejemplo se puede tener con Caolinita el RAS > 20 antes que sepresenten problemas serios de contaminación; pero si existe Montmorillonita unRAS de 8 a 10 causará problemas serios.

1.1.2.10 Capacidad de Intercambio Catiónico

Es la capacidad del suelo de mantener y cambiar cationes y se mide en

mili-equivalentes por 100 gramos de suelo y aumenta con el contenido dearcilla y de materia orgánica. En terrenos ácidos, la capacidad de intercambiocatiónico está parcialmente saturada de iones de hidrógeno y aluminio, ensuelos neutros y alcalinos, principalmente de bases como calcio, potasio ymagnesio. No sólo tienen importancia los iones, sino también las relaciones delos iones entre sí. Las cargas responsables de la capacidad de intercambiocatiónico se originan por:

a) Sustitución isomórficab) Cargas de la arista arcillosa.c) Cargas dependientes del pH (grupos funcionales de la materia

orgánica),

(Cepeda, p 77, 2007). (Ortiz et al, p 144, 1984) (Porta, et al, p 235,2003) (Gómez, et al, p 59, 2001) (Hausenbuiller, et al, pp 165 - 177, 1980).

Se entiende por intercambio catiónico a los procesos reversibles por loscuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa, y des-adsorben iones al mismo tiempo cantidades equivalentes de otros cationesestableciendo un equilibrio entre ambas fases. Estos fenómenos se deben a laspropiedades específicas del complejo coloidal, cuyas partículas tienen cargaselectrostáticas y gran superficie de intercambio. La materia orgánica, lasarcillas y los hidróxidos funcionan como transformadores. (Gómez, et al, p 59,2001).

Los cationes contenidos en estructuras minerales devienen disponiblesgracias a los procesos de meteorización. Sin embargo la tasa de liberaciónvaría para los distintos cationes y tipos de minerales.

Generalmente los minerales que contienen calcio se meteorizan conmayor rapidez que el promedio.

Una vez liberados los cationes pasan a los sitios de intercambiocatiónico, ya sea a la solución, pudiendo ser utilizados por las plantas y losmicroorganismos.


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Cualquier exceso emigra a la base del solum, si se trata de una regiónárida o percola hasta el agua de drenaje, en suelos de regiones húmedas. Lamayoría de los materiales disueltos en los ríos provienen del lavado de lossuelos y las cantidades son tan grandes, que en regiones húmedas, pueden

superar el peso del limo y demás sólidos arrastrados al océano. Los ionesdominantes en el agua de los afluentes son el Ca++ y el CO3=

La meteorización en regiones áridas es más lenta que en las regioneshúmedas y la cantidad de material que alcanza la solución del suelo es menor. Así mismo en las zonas áridas la solución es más concentrada, porque elcontenido hídrico del suelo se reduce más que su contenido en sales. Ademásen regiones áridas los materiales disueltos son arrastrados hacia la parte bajadel perfil, pero no abandonan el suelo

Si no que se almacenan en la base del horizonte B formando sales de

Ca++, Mg++, Na+, K+ y otros cationes combinados con CO3=,

SO4=

y demásaniones.

Parte de estas sales emigran de nuevo por capilaridad hacia la partesuperior del perfil, cuando los horizontes superficiales se encuentran mássecos que los profundos.

Las sales más solubles, como las de Na+, son las que ascienden enmayor cantidad.

1.1.2.11 Adsorción preferente.

La proporción relativa de los cationes adsorbidos en los sitios deintercambio del coloide del suelo depende tanto del suministro disponible decada catión, como de la intensidad del lavado y de la fuerza con que esadsorbido cada catión.

El suministro disponible de cada catión consiste, primero en los iones quehan sido retenidos, además de los iones que han circulado a través de lasplantas, animales y microorganismos hasta volver al suelo más el suministro

nuevo de que proviene de la meteorización de los minerales o de fuentesexteriores como los fertilizantes. Los nuevos suministros son muy importantespara compensar la lenta eliminación de los nutrientes por lavado o esquilmo delas cosechas.

El proceso de lavado elimina rápidamente el exceso de sales solubles, lascuales no han sido atraídas por los coloides del suelo.

Cuando la mayoría de los iones presentes son adsorbidos por loscoloides, el lavado de aquellos tiene lugar más lentamente, ya que paraextraerlos debe realizarse un intercambio de iones. Los procesos de lavado

acidifican el suelo debido a que los cationes básicos se intercambian por ionesH+.


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El suministro de éstos últimos proviene del CO2 que se disuelve en elagua y que, a su vez, debe su origen a los procesos biológicos y a losproductos de descomposición de materiales orgánicos.

Otros factores de eliminación de cationes comprenden la extracción decosechas y la volatilización. Aquella puede ser muy importante y confrecuencia conduce a la necesidad de fertilizar suelos, que en un principio,producían buenas cosechas sin abonos.

La volatilización es cuantitativamente más importante en suelos húmedos.En éstas condiciones, algunos microorganismos anaerobios forman materialesvolátiles, sobre todo nitrógeno gaseoso, óxidos de nitrógeno parcialmentereducidos, sulfuro de hidrógeno y metano.Estos gases, a veces, escapan a laatmósfera.

La magnitud de la fuerza de atracción entre un catión y una miceladepende de la carga del catión, de la densidad de carga sobre la micela y decuán cerca puede aproximarse a la micela.

Las cargas son únicas para los iones H+, Na+, K+ y NH4+, dobles para

Ca++ y Mg++ y triples para Al+++.

La aproximación del catión se halla limitada por el agua de hidrataciónque lleva consigo.

Cuanto mayor es la carga y menor es el tamaño del ión deshidratado,mayores son sus dimensiones en estado de hidratación. Es difícil determinar eltamaño exacto del ión hidratado, pero puede establecerse una secuencia demayor a menor, Al+++>Mg++> Ca++> Na+ > K+ = NH4

+.

La secuencia de fuerzas de atracción relativas, que refleja, a la vez, elnúmero de cargas y el tamaño en estado hidratado es Al+++> Ca++>Mg++ > K+ =NH4

+.> Na+. Esta serie liotrópica , puede ser considerada como una secuenciade adsorción preferente .Si dos iones, uno situado al principio de la serie y otro

al final, se hallan presentes en igual cantidad, los sitios de intercambioadsorben mayor número del primero que del segundo. No obstante, laadsorción preferente puede ser vencida por acción de masa cuando un ión seencuentre mucho mas concentrado que los restantes en la solución del suelo.1.1.2.11.1 proporciones más frecuentes de cationes.

El pH del suelo está muy relacionado con las cantidades relativas decationes ácidos, H+ Y Al+++, y bases de los sitios de intercambio El pH subecuando aumentan las concentraciones de bases y baja cuando se incrementanlos ácidos. También ocurren variaciones en el interior de los dos grupos. El ión

Al+++ es mucho menos frecuente que el H+ a valores de pH superiores a 5,pero deviene dominante en suelos extremadamente ácidos. Aparentemente


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cuando el pH desciende por debajo de 5, el aluminio se libera de la estructuracristalina de los minerales de la arcilla, se traslada a los sitios de intercambio,pasando también a la solución del suelo y, en ocasiones, causa daños a lasplantas. De modo que la toxicidad del aluminio puede evitarse manteniendo elpH del suelo en niveles de 5 a 6.

Las bases dominantes en los sitios de intercambio catiónico son el calcioy el magnesio. Esto debido a que el calcio meteorizable abunda y se libera conrelativa rapidez. Además de que el calcio es adsorbido por las micelas dearcilla y humus con mayor fuerza que los demás cationes básicos.

Excluyendo los cationes ácidos, los cationes de calcio, magnesio, potasioy sodio constituyen el 99% de las bases cambiables del suelo.

1.1.2.12 El pH del suelo.

Los procesos de lavado eliminan bases del suelo y por lo tanto, con eltiempo, tienden a provocar un descenso del pH. Este proceso de descensogradual es importante en los suelos jóvenes y pierde influencia en los seniles,en donde los procesos meteorizantes han eliminado ya la mayor parte de lasarcillas.

Los fertilizantes que contienen azufre o nitrógeno acidifican el sueloproduciendo efectos apreciables en pocos años. La aplicación de cal permiteaumentar el pH cuando este es demasiado bajo y por el contrario, en suelos

básicos, puede conseguirse un descenso del pH mediante la aplicación deyeso.

En casi todos los suelos es posible lograr un descenso de pH mediante laaplicación de azufre, que una vez oxidado por los microorganismos, formaácido sulfúrico.

La vegetación tiene influencia sobre los niveles de pH, puesto que aportamateria orgánica, además de influir en el proceso del lavado. La materiaorgánica degradable da lugar a la formación de ácidos orgánicos que

aumentan la capacidad de intercambio de cationes, pero que disminuyen elporcentaje de saturación de bases y, por lo tanto, el pH.

Los procesos de lavado se aceleran en condiciones ácidas porque lameteorización que predomina en ellas libera más cationes y son menosretenidos en los sitios de intercambio. Más aún, las condiciones ácidas suelenpresentarse en regiones húmedas, donde el lavado puede ser intenso. Sinembargo, la vegetación contrarresta dicho proceso.


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1.1.2.12.1 Saturación de bases y el pH del suelo.

La adición de ácidos o de materiales que los originen, hace descender elpH del suelo, mientras que la adición de bases produce el efecto contrario. Sinembargo, la variación de pH suele ser relativamente pequeña en comparación

con la cantidad de ácido o base administrada, ya que la mayoría de los suelosse hallan bien tamponados.

La capacidad de intercambio catiónico es el principal mecanismo tapón deque dispone el suelo. Generalmente, los cationes cambiables son en partebásicos como el Ca++, K + y el Mg++ y en parte ácidos como el H+ y Al+++. Sibien éstas propiedades solo pueden manifestarse cuando los cationes sehallan disueltos. Para la mayoría de los suelos, el número de cationesadsorbidos sobre las micelas (inactivos) supera en mas de 100 veces alnúmero de cationes en solución verdadera ( Activos ). Al medir el pH sólo se

tiene en cuenta la porción activa de los iones H+, aunque existe un intercambiocontinuo ó equilibrio entre los iones cambiables adsorbidos y los que seencuentren disueltos.

Cuando se añade ácido a un suelo, sólo una fracción de los iones H+aplicados permanecen en solución, los restantes se intercambian con basesadsorbidas en micelas y ocupan su lugar.

Cuando se añade una base al suelo ocurre la reacción inversa: los ionesH+ de las micelas son sustituidos por los cationes de la base y pasan a la

solución, donde reaccionan con iones OH- para formar agua.

Gracias a estos procesos, cuando se aplica al suelo un ácido o una base,el pH varía sólo ligeramente y, simultáneamente, tiene lugar una variación en elporcentaje de sitios de intercambio ocupados por H+ respecto a los ocupadospor las bases.

El porcentaje de sitios de intercambio catiónico ocupados por basesrecibe el nombre de porcentaje de saturación de bases. (Thompson, 1980).

En general, cuanto más arcilla hay en el suelo, tanto más elevada es lacapacidad de intercambio de cationes. La proporción de los distintos cationesunidos al complejo de intercambio varía con las condiciones bajo las cuales seha formado el suelo. Estas proporciones pueden modificarse encalando ytratando al suelo con fertilizantes.

Por lo común en condiciones neutras (o casi neutras) de climasmoderados, el calcio constituye cerca del 80 %, o más de las bases solubles.La arcilla donde el calcio predomina asegura una buena aireación y un buendrenaje, reduciendo al mínimo los efectos desfavorables de un contenido

elevado de arcilla. (Cepeda, p 94-95, 2007)


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El calcio promueve la descomposición de la materia orgánica y laliberación de nutrientes. A la vez, mejora la estructura del suelo y la retencióndel agua. Sin embargo, un exceso provocará una deficiencia de potasio,fosfato, magnesio, zinc y hierro. (SEP/ TRILLAS, p 29, 2002)1.1.2.12.2 Iones intercambiables.

Son aquellos que pueden ser intercambiados en un período limitado porotros iones, a partir de las soluciones de concentración y pH estandarizadoscomo el acetato de amonio a pH 7, ó acetato de sodio a pH 8.2, etc.

Iones que neutralizan la carga negativa de las partículas del suelo y quese encuentran en equilibrio con otros en la solución.

1.1.2.12.3 Iones no intercambiables.

Son aquellos que se encuentran encerrados en minerales en sitios pocosaccesibles o químicamente ligados en compuestos orgánicos y que no puedenser liberados fácilmente con agentes de intercambio convencionales en unperíodo limitado.

Las partículas de suelo tienen un carácter anfótero en distinto grado, esdecir, alguna más que otras, pueden comportarse como ácidos o como basesy son capaces de retener tanto cationes como aniones dependiendo de lacondición del medio.

A pH ácidos pueden existir cargas negativas y positivas, y el pH al cual seigualan se denomina punto de carga cero (ZPC) o punto isoeléctrico, donde lacarga neta total es cero.

A pH básicos, existen las cargas permanentes debidas a las sustitucionesisomórficas y las cargas variables debidas a la materia orgánica y otroscomponentes

1.1.2.13 Solubilidad

Una solución consiste en dos componentes; un solvente que es un medioque disuelve, como el agua por ejemplo, y el soluto que es la substanciadisuelta.

Una solución concentrada es aquella que contiene relativamente grandede soluto por una unidad volumen de solución, una solución diluida es aquellaque contiene una cantidad relativamente pequeña de solutoi por una unidad devolumen de solución.


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Los principales métodos para expresar las concentraciones de solucionesson:

La molaridad La normalidad

La primera es un método que consiste en comparar las concentracionesde la solución, se dice que una solución 1 molar , tiene un soluto disuelto en 1litro.

La molaridad se expresa como:

litros

molesmolaridad

Mientras que la molaridad de una solución se refiere a su concentracióngeneral (el soluto disuelto en la solución) la normalidad de una solución serefiere más específicamente a la potencia para reaccionar de la solución. Unode los primeros conceptos que se aprenden en un curso de química básica, esque la transferencia de electrones es responsable por la actividad química o lahabilidad de reaccionar de un elemento o un compuesto.

El concepto de equivalentes relaciona el número electrones disponiblespara ser transferidos y el peso átomico que debe estar asociado con cada unode sus electrones de valencia.

Debido a que el concepto de equivalentes se basó en la potencia dereacción de un elemento o compuesto es fácil entender que un númeroespecífico de equivalentes de una substancia reaccionarán con el mismonúmero de equivalentes de otra substancia.

Entonces:

Peso equivalentevalenciade Número

átomico Peso

La normalidad indica el número de equivalentes en un (1) litro de solución;o sea, indica cuántos equivalentes de otra substancia reaccionaran con estasolución.

Normalidad soluciónde Litros

solucióndeesequivalent de Número


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Ahora bien, debido aque el número actual de equivalentes en unasolución determina en que cantidad reaccionará con otra substancia, debemosconsiderar ambos, la normalidad y el volumen de la solución.

litrosen solución

ladevolumen

x soluciónlade

Normalidad

soluciónlaen

es Equivalent

..

Si se tienen dos soluciones A y B se dice entonces que:

B A A A N N

Donde:

N A , N B Son la normalidadesde las soluciones A y B respectivamente.

B A , Son los volumenes de esas soluciones.

Si se tiene el caso de un líquido percolado que ha escurrido de un rellenosanitario y penetrado al medio poroso con las siguientes concentraciones.

Concentración mg / l

Ca ++ 2,500

Mg ++ 500

Na+ 2,000

K+

2,000

Fe +++ 1,500

Fe ++ 500

N+ deNH3 500

Zn ++ 150

Ni++

100


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Se calcula la normalidad de la solución de líquido percolado: Ver tabla1.1.2.13.1.

Ahora :

B A A A N N

N A es la normalidad del líquido percolado.

A es un litro de líquido percolado.NB es la normalidad del suelo = 15 meq / 100 gr De suelo.

B es el volumen de suelo necesario para intercambiar 1 litro delíquido percolado.

Y si el suelo pesa 1, 400 Kg / m3 se tendrá:

percoladolíquido

suelom B

)(0021.0

1400100015

100440 3

CONSTTITUYENTE DEL

LIQUIDO PERCOLADO.

CARGA DE ION PESO EQUIVALENTE (1) CONCENTRACION

(2)

Mg/1

CONCENTRACION ⁄ PESO EQUIVALENTE

mili equivalente

Calcio Ca⁺⁺ 40.08 ⁄ 2=20.04 2,500 124.75

Magnesio Mg⁺⁺ 24.31 ⁄ 2=12.16 500 41.14

Sodio Na⁺ 22.98 ⁄ 1=22.98 2,000 87.03

Potasio K⁺ 39.10 ⁄ 1=39.10 2,000 51.15

Fierro Fe⁺⁺⁺ 55.85 ⁄ 3=18.62 1,500 80.57

Fierro Fe⁺⁺ 55.85 ⁄ 2=27.93 500 17.91

Amoniaco N⁺ 17.00 ⁄ 1=17.00 500 29.41

zinc Zn⁺⁺

65.37 ⁄ 2=32.69 100 4.59

Níquel Ni⁺⁺ 58.71 ⁄ 2=29.36 100 3.41

439.96

N o r m a l i d a d =

4 4 0 m e q / 1

Tabla 1.1.2.13.1Cálculo de la normalidad de la solución de líquido percolado.


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Figura 1.1.2.13.1 El volumen de suelo necesario para intercambiar 1 litro delíquido percolado.

En la figura 1.1.2.13.1 podemos apreciar un isometrico para intercambiar 1 litrode líquido percolado.

1.1.2.14 Capacidad de Intercambio Catiónico.

En suelos, los sitios de carga negativa son mucho más numerosos, por lotanto la capacidad de intercambio de cationes es de mayor relevancia que lacapacidad de intercambio de aniones. (Hausenbuiller, et al, pp 165, 1980).

La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de una de las muestras desuelo o de algunos de sus componentes se expresa:

- El número de moles de iones carga positivos adsorbidos que pueden serintercambiados por unidad de masa seca, bajo unas condiciones dadas detemperatura, presión, composición de la fase líquida y una relación de masasolución dada.

- Un mol de carga positiva equivale a 6.02 x 1023

cargas de cationesadsorbidos.

En unidades SI la CIC se expresa en centimoles de carga positiva porkilogramo, cmol (+) Kg -1 o bien en cmol, kg-1. Con anterioridad se veniautilizando como unidad el meq / 100 g, cuyo uso se halla muy extendido. Elvalor se numéricoes el mismo en ambas unidades. (Porta et al , p 235, 2003)

A manera de resumen se puede decir que:

0.0021 m

1 metro

1 metro

1 litro de percolado

0.001 m

Suelo necesario

Para

intercambiarlo


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La capacidad de intercambio catiónico (CIC) es una propiedad ligada enla fracción mineral a la arcilla y al limo y a la fracción coloidal de la materiaorgánica.

Se refiere al proceso reversible de intercambio de cationes y aniones

entre las fases sólidas y líquidas del suelo, y entre fases sólidas en estrechocontacto.

Los minerales y las partículas orgánicas con alta superficie específicapueden absorber sobre sus superficies moléculas e iones.

La adsorción indica la retención de una especie iónica en la superficie deun sólido causada por intercambio iónico u otras reacciones.

La desorción es el proceso opuesto en el cual se liberan los ionesadsorbidos.

Los coloides orgánicos e inorgánicos contribuyen a la CIC total del suelo.

La CIC corresponde al total de posiciones de cambio (cargas negativas) ocantidad total de cationes adsorbidos.

La adsorción de iones es de gran significado para la reacción del suelopH, suministro de nutrientes, estructura, procesos de formación del suelo.

El intercambio entre iones se realiza en cantidades equivalentes según elnúmero de cargas.

La magnitud de la CIC depende del tipo de coloide: arcillas y humus y delporcentaje de cada uno de ellos presentes en el suelo.

La CIC depende del pH del suelo, por su efecto en generar cargasnegativas.

La CIC se expresa en centimoles por Kg, Un centimol positivo es igual a1 miliequivalente que se define como 1 mg de H o la cantidad de cualquier otroión capaz de combinarse con él o desplazarlo.

Los cationes intercambiables más importantes son: Ca++, Mg++, K+, Na+ con Al3+ y H+. Menos abundantes son NH4

+ y Fe+.

El H+ y el Al3+ causan acidez del suelo, en cambio Ca++, Mg++, K+ y Na+

son básicos y se conocen como las bases del cambio.


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La naturaleza de los cationes adsorbidos dependerá de la disponibilidadde iones en la solución del suelo, asociados principalmente al clima y aldrenaje. (Honorato, p 146, 2000.)1.1.2.14.1 Mecanismo de intercambio de cationes

Tanto en suelos ácidos como calcáreos el Ca+++ es usualmente el catiónintercambiable predominante. Los suelos ácidos resultan de la acumulación deK+ intercambiable en el suelo. Los cationes en la solución del suelo reemplazana los cationes adsorbidos en el proceso denominado intercambio de cationes.En este intercambio es rápido y reversible y las condiciones de equilibrioexisten los cationes solubles e intercambiables. (Ortiz et al, p 144, 1984)

El intercambio se produce entre una superficie sólida, coloide, y líquida,solución del suelo, y eventualmente entre dos superficies sólidas, coloide-raíz.Los cationes están sometidos a la atracción del campo eléctrico creado por la

superficie cargada en cuya cercanía hay una mayor concentración iónica y quetienden a difundir hacia la solución al existir un gradiente de concentración.

La superficie cargada negativamente y los atraídos eléctricamente,forman una doble capa difusa. El mecanismo es reversible, llegando siempre aun equilibrio, aunque los cationes polivalentes pueden ser más difíciles deintercambiar al formar enlaces covalentes fuertes. Así se puede observar en lafigura 1.1.2.14.1 Las reacciones de intercambio son estequiométricas, elintercambio se produce en cantidades químicamente equivalentes. Lasreacciones de intercambio son rápidas en el laboratorio y en el terreno puedenverse frenadas por la tasa de difusión del ión desde y hacia la superficie delcoloide. Hay un efecto de acción de masas, de modo que la dirección de lareacción depende de las concentraciones relativas.(Honorato, p 147, 2000.)

Figura 1.1.2.14.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambiocatiónico.


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1.1.2.15 Adsorción

1.1.2.15.1 Fórmulas de la adsorción

La fijación de contaminantes en el suelo se efectúa por la adsorción, quees un proceso físico – químico por el cual las moléculas o iones son

inmovilizadas por las partículas del suelo.

Existe una relación entre la cantidad de adsorbida por un componente ― i ―

en gr / cm3 de suelo saturado y la cantidad de componente “ i ” por cm 3 de

liquido que puede expresarse mediante :

q i= q i (C 1, C2. C3 ,….., C I ,……..C n , s, t ).............................1.1.2.15.1

dónde ― s ― es una variable del espacio.

La cantidad de ion “ i ” que es adsorbida, es en general una función de

todos los iones “ i ”, la posición “ s ” y el tiempo “ t “ .

La adsorción en los suelos es el proceso de concentrado de unasustancia en la superficie de las partículas sólidas.

La adsorción depende principalmente de la naturaleza química y física del

adsorbato y el adsorbente.

La reacción de intercambio de dos especies A y B entre sus soluciones

acuosas y un sólido es:

K e q

A ( aq ) + n B ( s )

n B ( aq ) + A ( s )

..................1.1.2.15.2

1 – K e q


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Donde:

a q es la especie en solución.

s es la especie adsorbida en el sólido.

n es el coeficiente de equilibrio estequiométrico.

La constante de equilibrio será:

a i ( s ) aBn (a q )

K e q = ------------------------------------ .............1.1.2.15.3Ai ( a q ) a

n B ( s )

Dónde:

a i ( a q ) son las actividades de las especies disueltas,.

a i ( a q ) = c i γ i.

Dónde: la concentración molal

γ i es el coeficiente de actividad molal.

C i es la concentración molal.

Para las especies adsorbidas, su actividad esta relacionada con la

fracción mole Xi y el coeficiente de actividad en el estado adsorbido λ i.

Entonces:

a i( s ) =Xi λi

Sustituyendo estas relaciones; la concentración de A sobre el sólido

expresado como una fracción mole q A ( s ) depende de su concentración en

solución (fase líquida ) C de acuerdo a:

K e q Xn B λn B γ A

q i ( s ) ={ --------------------------------} ------1.1.2.15.4C n B λ A γ

nB

o bien:


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q = K C

Dónde K es el coeficiente de distribución de concentración entre fase

líquida y fase sólida.

Es una función complicada.

La k e q se conoce para pocos sistemas; por lo que se ha tendido a

determinar ecuaciones empíricas mediante experimentación; obteniéndose las

ecuaciones de adsorción de Freundilich.

q = K Cn 0.1 ≤ n ≤ 1

donde;

K y n son constantes que deben ser determinadas experimentalmente.

Las desviaciones de n ≠ 1, indican el grado de no linealidad entre la

concentración de iones o moléculas en solución y la fase adsorbida.

La ecuación de adsorción de Lagmuir tiene bases físicas y ha sido

desarrollada para adsorción de gases en sólido sobre un sustrato con interfaselíquido - sólido:

La ecuación es:

K 1 K 2 C

q = -------------------------- 1.1.2.15.5

1 + K 2 C

Donde:

es la densidad del suelo saturado en gr / cm3 .

K 1 , K 2 son constantes del sistema.

Sin embargo si:


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K 1 K 2 = K

Y: K2 C = ( C1-n - 1 )

K Cq = ------------------------- = K C n 1.1.2.15.6

1 + (C1- n

- 1 ) Ambas isotermas suponen equilibrio instantáneo así como reversibilidad

completa entre las concentraciones en fase sólida y fase líquida.

Cuando no se considera una adsorción instantánea y con irreversibilidad,

puede expresarse variación en fase sólida como:

7.15.2.1.1)( 4 K C K t

q

Donde: y K4 son constantes que depende n del suelo y el químico e

remediación de suelos tecnologico estudios superiores oriente del edo de mexicouniv

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