Efecto de la materia orgánica en el transporte de agua por

Scientific registration n°: 2334
Symposium n°: 4
Presentation: poster
Efecto de la materia orgánica en el transporte de agua por
surfactantes
Soil organic matter effects in water transport by
surfactants
Effets de la matière organique du sol sur le mouvement de
l’eau en présence de surfactants
TORRES SANCHEZ Rosa M. (1), ZABALA Stella M.(2) y FALASCA Silvia (2)
(1) CETMIC. Cno. Centenario y 506, C.C.49 (1897) M.B.Gonnet, Argentina
(2)
CIBIOM. Serrano 669 (1414) Buenos Aires. Argentina.
RESUMEN
El movimiento de agua subyacente, producido por surfactantes (en sentido contrario a la
ubicación inicial del mismo) en un sistema de suelo no saturado, esta condicionado por la
presencia de materia orgánica, que actua como un segundo surfactante disminuyendo la
presión capilar y en consecuencia la cantidad de agua movida es menor. Esto sucede superada
una cantidad de agua inicial donde la configuración del film de agua es óptima (máximo de
agua movida). La disminución de la materia orgánica y el consecuente aumento de partículas
de menor tamaño, en presencia de surfactante, provoca un menor movimiento de agua, para
valores de agua inicial mayores del máximo. Coincidiendo con lo encontrado por Tschapek, la
velocidad del movimiento en estos sistemas es menor, alcanzándose el equilibrio del sistema
en 24hs. El movimiento de agua en ausencia de surfactantes (debido a la presencia de materia
orgánica y distribucion de tamaño de particulas) es mayor que en presencia de surfactante,
pero de sentido contrario, debido a la mayor variación de presión capilar generada.
INTRODUCCION
Es conocido[1-4] que cuando algunos surfactantes se esparcen sobre una superficie acuosa, la
cual esta sobre materiales dispersos formando un sistema no saturado de agua, arrastran el
agua subyacente con ellos. Como fue descripto por Tschapek [5] en materiales finos no
saturados la mayor dificultad para arrastrar el agua subyacente lo constituyen la discontinuidad
y fino espesor del film de la misma, por ello en la medida que disminuye el tamaño de las
partículas de un sistema, el contenido inicial de agua debe ser mayor, para mover la misma
cantidad de agua. En materiales gruesos (arena) el film de agua es continuo y mas profundo
aun a bajos contenidos iniciales de agua; en estos sistemas Karkare[6] comprobó que el
movimiento de agua es originado, principalmente, por gradientes de presión los cuales se
generan cuando en una de las secciones: se varia el tamaño de los poros capilares (cambiando
1
el tamaño de las partículas) o la tensión superficial del fluido que lo moja (adición de
surfactantes insolubles en agua). El tamaño de los poros, en ausencia de surfactante, gobierna
la dirección del movimiento del agua (de las partículas menores hacia las mayores); mientras
que la presencia asimétrica, en sistemas con igual tamaño de partículas, de surfactantes empuja
el agua a través de gradientes de presión capilar originada en la interfase de las dos secciones
del sistema.
El desafío de este trabajo y su continuación es la utilización de surfactantes en suelos naturales,
para dirigir el movimiento del agua. En estos sistemas naturales, se combina: la presencia de un
surfactante natural, como es la materia orgánica y la amplia distribución de tamaño de partícula
(desde 1000 a 1µm) que lo constituye. Para ello, en esta primera instancia, estudiamos el
efecto de la materia orgánica, como surfactante, reduciendo la presión capilar en el sistema con
alcohol tetradecanol y como cementante, reduciendo el porcentaje de partículas de menor
tamaño. El tiempo de contacto, el contenido inicial de agua y el sentido del movimiento
también fueron evaluados.
MATERIALES Y METODOS
Los suelos utilizados corresponden al horizonte A, Ustiupsament típico y Argiudol típico
provenientes de las provincias de La Pampa (localidad de Anguil, denominado Ang.) y Buenos
Aires (localidad de Castelar, denominado Cast.).
Estos suelos fueron tamizados para eliminar restos de raíces, lavados con agua destilada y
secados al aire.
La tabla 1 muestra algunas de las característica iniciales y después del tratamiento con H2O2
de ambos suelos, determinadas anteriormente [7].
Suelos Trat.
CIC
PZC %Mater.
H2 O2
(meq//Kg) (pH) Orgánica
8.9
3.0
1.7
Anguil antes
5.0
2.7
0.1
después
22.8
4.3
1.6
Castelar antes
3.0
0.2
después 20.1
Tabla 1: Capacidad de intercambio catíonico (CIC), Punto de cero cargas (PZC) y contenido
en materia orgánica, antes y después del tratamiento con H2O2 en ambos suelos.
La textura de los suelos iniciales [7], fue la siguiente: 1000-50µm: 30 y 13,3%; 50-5µm: 53 y
66% y para la fracción <5µm: 17 y 23%, para Anguil y Castelar respectivamente.
La distribución del tamaño de partícula se realizo en medio húmedo de hexametafosfato en un
equipo micromeritic, después de separar la fracción mayor de 75µm.
La destrucción de materia orgánica fue realizada por tratamiento con H2O2 a 90°C y
determinada por el método indicado en Black et al. [8].
El equipo utilizado para medir el movimiento del agua es una columna de 2cm de diámetro y 5
cm de largo, formada por tres secciones (anillos), donde se empaqueta el suelo a una humedad
determinada. La parte izquierda de la columna (anillo 1), contiene el surfactante en cantidad
preestablecida. Después de un tiempo prefijado (en horas) de contacto, con la columna en
2
posición horizontal, se determina el contenido en agua de las distintas secciones por pesada y
se indica como %p/p, respecto del suelo seco.
El surfactante utilizado fue alcohol tetradecanol [CH3(CH2)13OH], el cual se aplico disuelto en
cloroformo.
RESULTADOS Y DISCUSION
La influencia del tiempo de equilibrio del sistema, fue estudiada en el suelo Anguil inicial y
tratado con H2O2 ,la fig. 1 muestra el efecto del tiempo en la cantidad de agua movida con
concentraciones de surfactante del orden de 10-2g/100g suelo.
Fig. 1
La variación de agua para los distintos tiempos de equilibrio, indica que el movimiento de agua
se completa en 24hs., mientras que para sistemas de partículas gruesas (arena) debido a la
mayor velocidad del agua en filmes de mayor espesor [5], el movimiento se completa en
tiempos menores que 1 hora [10]. Las medidas de movimiento de agua posteriores se
realizaron con un tiempo de equilibrio del sistema de 24hs.
La tabla 2 muestra la distribución del tamaño de partículas para los dos suelos antes y después
del tratamiento con H2O2.
Suelo Trat.
H2 O2
Anguil antes
después
Castelar antes
después
> 75µ
µm
75-10µ
µm
10-1µ
µm
< 1µ
µm
36,0
44,0
34,0
10,0
38,2
22,8
36,0
45,0
19,0
17,0
23,0
22,0
6,4
16,8
6,5
22,6
Tabla 2: distribución de tamaño de partículas antes y después del tratamiento con H2O2.
Contrariamente a lo indicado por los datos de textura de los dos suelos iniciales, la distribución
de tamaño de partículas no mostró una marcada variación en la fracción arcillosa, por lo que la
variación de PZC mostrada en la tabla 1, indica la existencia de un distinto contenido
mineralógico en la fracción arcillosa (PZC del caolin=2,5-3,0 [11] PZC montmorillonita=1,02,0 [12]), lo cual también origina la variación de los valores de CIC. Por difracción de rayos X
[7], se determino que los minerales componentes de ambos suelos, son: cuarzo, feldespatos,
illita y caolín: encontrándose solo montmorillonita en el suelo Ang. lo cual origina el menor
valor de pH del PZC.
La tabla 2 indica que el tratamiento con H2O2 no produjo variación en la fracción entre 101µm, pero si produjo un aumento considerable (63 y 72%) en la fracción arcillosa (<1µm)
respecto de los suelos iniciales. La fracción >75µm sufrió un aumento de alrededor del 20% y
la fracción entre 75 y 10µm disminuyó un 40% en el suelo Anguil; el suelo Castelar mostró un
comportamiento inverso, disminución del 70% y aumento del 20%, para esas mismas
fracciones.
La influencia de estas variaciones de tamaño de partícula y del contenido en materia orgánica,
sobre la cantidad de agua movida por la presencia de tetradecanol se estudio para varios
3
contenidos de agua inicial, en todos los casos el movimiento del agua siguió el esquema
general encontrado para otros sistemas[1] representado en la fig.
Fig. 2
La fig. 3 muestra el movimiento de agua del suelo, para los suelos naturales y con tratamiento
con H2O2 ,en función del porcentaje de agua inicial.
Fig.3
El corrimiento de los valores máximos de % de agua movida: de 35 a 42,5 y de 35 a 40 % para
Cast. y Ang. iniciales y tratados, respectivamente, indica que la presencia de mayor contenido
en partículas de pequeño tamaño ( coincidiendo con lo encontrado por Tschapek [5] para
distintos materiales ) prima en el movimiento del agua sobre el efecto de la disminución del
contenido en materia orgánica. Esto se confirma si comparamos los suelos tratados entre sí,
donde el aumento del porcentaje de partículas pequeñas (de 16,8 % a 22,6 % < 1 µm, con
0,1% de materia orgánica) produce el corrimiento del máximo de agua movida, hacia mayores
porcentajes de agua inicial de 40,0 a 42,5 %. Los suelos iniciales con igual contenido en
partículas < 1µm e igual contenido en materia orgánica, muestran un máximo menos
pronunciado, debido al efecto de la materia orgánica de alrededor de 35% de agua inicial.
La disminución de la materia orgánica tendría que producir un aumento del porcentaje de agua
movida, debido al aumento de la presión capilar en el sistema, producida por la variación de
tensión superficial.
∆ P= 2 γ / r
Donde γ , es la tensión superficial en el sistema, γ= γ1 - γ2 originada por el alcohol tetradecanol
(γ2 = 45, 4 mN/m) y la materia orgánica del suelo (γ1= 62,0 mN/m). Consecuentemente a menor
γ resultante (en presencia de materia orgánica) la presión capilar se ve reducida y la cantidad de
agua movida es menor [13].
En la figura 3 tenemos dos situaciones, para concentraciones de agua inicial inferior y superior
al máximo, producidas por el alejamiento de la optima condición del film de agua sobre las
partículas
(continuidad y espesor).
Para la primera situación (para un 35% de agua inicial), encontramos un efecto contrario a lo
esperado, disminución de la cantidad de agua movida de 2 a 0,5% y de 3 a 0,5% para los
suelos Ang. y Cast. iniciales y tratados, respectivamente; lo cual indica nuevamente que el
contenido de distintos tamaños de partícula ( producidos por la desaglomeración de las
partículas al disminuir el contenido de materia orgánica) es mas importante a bajas
concentraciones iniciales de agua, que el aumento de la presión capilar.
Para la segunda situación ( 42 y 40 % de agua inicial), encontramos un aumento del porcentaje
de agua movida ( coincidiendo con lo encontrado Karkare para arena [7]), para menores
contenidos en materia orgánica de 1,8 a 3,0 y de 2,0 a 3,0 para los suelos Ang .y Cast. iniciales
y tratados, respectivamente.
La figura 4 muestra el movimiento de agua en ausencia de surfactante (blancos), indicando con
signo negativo el movimiento de agua en sentido contrario al encontrado en presencia de
surfactante.
Fig. 4
4
En esta figura se ve que en todos los suelos, en ausencia de surfactante, existe una inversión
del sentido del movimiento de agua, para valores de agua inicial superiores a los máximos
encontrados en presencia de surfactantes. A partir de esos valores de agua inicial y debido a
que el sistema comienza a estar saturado con agua, en el armado de la columna, el agua queda
sobrenadante, y la materia orgánica se concentra en la porción inferior ( anillo 3 ) empujando el
agua durante el equilibrado del sistema hacia el anillo 1.
Esto se confirmó con la medición de la tensión superficial del sobrenadante del suelo en cada
anillo después de 24 hs de equilibrio. La tabla 3 muestra los datos de tensión superficial
obtenidos para los distintos suelos en cada anillo del sistema después de 24 hs de equilibrio.
γ final (mN/m)
anillo
1
2
3
69,0
70,0
Anguil
antes 71,0
67,0
68,0
después 68,4
69,0
70,0
Castelar antes 70,0
67,0
67,0
después 70,0
Suelo
Tabla 3: Tensión superficial del suelo sin surfactante, para contenidos iniciales de agua de 44
%
Como puede apreciarse en esta tabla, el cambio de la tensión superficial en ausencia de
surfactante tiene sentido opuesto al encontrado para la fig. 2 (con surfactantes).
Para una explicación concluyente de esto ultimo, es necesario realizar nuevas experiencias que
están siendo diseñadas.
CONCLUSIONES
1.- La estabilidad del sistema con suelo se alcanza a tiempos mayores ( 24 hs) que lo
observado para los sistemas con arena ( 2 hs ).
2.- El efecto de la materia orgánica, en el movimiento de agua en suelos no saturados
producido por el surfactante, coincide con lo encontrado en sistemas de partículas gruesas. En
concentraciones iniciales de agua inferiores a un máximo, disminuye la presión capilar por
disminución de la diferencia de tensión superficial en el sistema, pero se produce un mayor
movimiento de agua y por otra parte, en concentraciones iniciales de agua superiores a dicho
máximo se produce un menor movimiento de agua. El contenido de partículas de menor
tamaño, en los suelos, produjo un corrimiento del porcentaje de agua inicial máximo en
presencia de surfactante.
3.- En ausencia de surfactantes todos los suelos muestran un inversión del sentido del
movimiento de agua para contenidos de agua inicial superiores a los máximos encontrados en
presencia de surfactantes. El apartamiento de la condición de no saturación y el procedimiento
de armado de los sistemas, parecen ser los responsables de la acumulación de materia orgánica
en el anillo 3 y consecuentemente el movimiento de agua hacia el anillo 1. Detalles de esto
último deberán ser confirmados con nuevas experiencias.
5
REFERENCIAS
1.- M. Tschapek, C. Wasowski and R. M. Torres Sanchez. Coll. and Surface 3: 295-298
(1981)
2.- M. Tschapek, C. Wasowski and S. Falasca. Coll. and Surface 11: 69-80 (1984)
3.- M. Tschapek, C. Wasowski, R. M. Torres Sanchez and S. Falasca: in Surfactants in
solution (ed.K.L.Mittal) vol 10: 441-452 (1988)
4.- M. Tschapek and C. Wasowski. Coll. and Surface.5: 65-73 (1982)
5.- M. Tschapek, C. Wasowski and S. Falasca. J. Disp. Sci. and Techn. 8 (5-6):493-500
(1987)
6.- M. Karkare and T. Fort Langmuir 9: 2398-2403 (1993)
7.- R. M. Torres Sanchez and S. Falasca. Z. fur Pfl. und Bodenkunde 160: 223-226 (1997)
8.- A. Black, D. D. Evans, J. L. White, L.G. Emsminger, F. E. Clarck: in Methods of soil anal.
Amer. Soc. of Agron. Chapter 43. Madison WI (1965)
9.- A.W. Adamson: in Physical Chem. of Surfaces (Interscience, N.Y.)(1967)
10.- M. Karkare and T. Fort Langmuir 12: 2041-2044 (1996)
11.- M. Tschapek, R. M. Torres Sanchez and C. Wasowski. Clays and Clay Min. 37: 589-592
(1979)
12.- R. M. Torres Sanchez, C. Volzone and E. Curt. Z. fur Pfl. und Bodenkunde 140: 220-224
(1994)
13.- M. Tschapek, C. Wasowski and R. M. Torres Sanchez. Plant and Soil 64: 261-267
(1981)
Keywords : surfactants, interfaces, soils, physica properties
Mots clés : surfactants, interfaces, propriétés physiques des sols
6
Figura 1: Porcentaje de agua movida en funcion del tiempo (hs) de equilibrio del sistema, con
10-2 g de surfactante/100g de suelo para: ( ) Ang. y (Ο) Ang. tratado.
7
Figura 2: Esquema general del movimiento de agua. La linea continua indica el contenido de
agua y la tensión superficial iniciales. La linea punteada indica el contenido de agua y tensión
superficial final en cada anillo (el anillo 1 es el que contiene inicialmente el surfactante).
8
Figura 3: Porcentaje de agua movida en función del contenido de agua inicial del sistema, con
10-2 g de surfactante/100g de suelo para: ( )Cast; ( )Cast tratado; (Ο) Ang. y (Ο) Ang.
tratado.
9
Figura 4: Porcentaje de agua movida en función del contenido de agua inicial, para sistemas
sin surfactante: ( )Cast; ( )Cast tratado; (Ο) Ang. y (Ο) Ang. tratado.
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