INTRODUCCIÓN

Los suelos son un recurso natural que proporcionan nutrientes necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas y su aplicación en cultivos es fundamental. Por esta causa, la caracterización de suelos constituye una actividad esencial para lograr una completa comprensión de las relaciones existentes entre sus propiedades, su fertilidad y sus sistemas de uso. El suelo está compuesto por macronutrientes que se presentan en forma iónica, cuya presencia trae beneficios a las plantas y su deficiencia genera consecuencias negativas^{1), (3}. Entre ellos, llama la atención el ion Mg²⁺, componente primario de la clorofila y fundamental para la fotosíntesis de las plantas, participa en el metabolismo del fosfato, en la respiración, y en la actividad enzimática en la descomposición de la materia orgánica en el suelo. Cuando el Mg²⁺ se encuentra en el suelo, sufre un proceso de adsorción siendo éste un fenómeno superficial. Los datos de adsorción en suelos comúnmente son representados por isotermas de adsorción, en las cuales un gráfico relaciona la cantidad de adsorbato retenida por un sólido como una función de la concentración de adsorbato en solución que está en equilibrio con ese sólido⁴. La forma de la curva de la isoterma sugiere (pero no confirma) información acerca de la interacción adsorbato-adsorbente. Con este fin, las isotermas han sido clasificadas en 4 tipos diagramados como se muestra en la figura 1.

Donde:

1. Isoterma del Tipo L (Langmuir), refleja una relativa alta afinidad entre el adsorbato y adsorbente, son cóncavas respecto al eje de abscisas, por lo que a medida que aumenta la concentración en la fase líquida, la cantidad adsorbida aumenta más lentamente. Este tipo de isotermas se presentan cuando existe fuerte atracción intermolecular entre las moléculas de adsorbato. La adsorción de muchos derivados fenólicos en disolución acuosa sobre carbón activado presenta este tipo de isotermas.

2. Isoterma tipo S, sugiere una adsorción cooperativa, son cóncavas respecto al eje de ordenadas, por lo que la adsorción se ve favorecida a medida que aumenta la concentración de la fase líquida. Este hecho es debido a asociaciones colaterales entre las moléculas adsorbidas (adsorción cooperativa). Se produce este tipo de isotermas cuando existe una moderada atracción intermolecular entre el adsorbato y el adsorbente, y se produce una fuerte competencia por los centros de adsorción con las moléculas de disolvente o de otros adsorbatos. A modo de ejemplo se puede citar la adsorción de fenoles sobre alúminas.

3. Isoterma tipo C, (Partición constante), sugiere una afinidad relativa constante de las moléculas del adsorbato por el adsorbente. Presentan una forma lineal hasta alcanzar la capacidad máxima de adsorción, donde se produce un cambio brusco a un tramo horizontal. Este tipo de adsorción indica que el adsorbato presenta mayor afinidad por el adsorbente que por el disolvente. La forma lineal de la isoterma indica que el soluto penetra en zonas inaccesibles al disolvente. Un ejemplo lo constituye la adsorción de fenoles en disolución acuosa sobre polipéptidos sintéticos.

4 Isoterma de tipo H, indica una interacción muy fuerte adsorbato-adsorbente (Quimisorción). Son un caso especial de las de tipo L; el soluto tiene tanta afinidad hacia la fase sólida que en disoluciones diluidas se encuentra totalmente adsorbido, o prácticamente no se detecta en disolución. La parte inicial de la isoterma es vertical, y se presenta en la adsorción de micelas iónicas o moléculas poliméricas, aunque a veces se trata de iones simples que se intercambian con otros de mucha menor afinidad por el adsorbente. Un ejemplo lo constituye la retención de pigmentos sulfonados sobre alúminas⁶.

La clasificación en subgrupos hace referencia al mecanismo de adsorción. Las curvas del subgrupo 1 representan sistemas en los que la monocapa no ha sido completada. En el subgrupo 2 y siguientes, se puede identificar una meseta de adsorción, que corresponde con el llenado de la monocapa. El aumento posterior representa el desarrollo de la segunda capa, la cual, se completa en el subgrupo 4. En el subgrupo mx, se alcanza un punto en el cual las interacciones tipo van der Waals adsorbato-adsorbato sobrepasan las interacciones de tipo adsorbato-adsorbente, de manera que parte del adsorbato retenido se desorbe de la superficie⁶.

A menudo, no se encuentran estos tipos de isotermas para moléculas orgánicas; pocas de ellas, forman enlaces iónicos o covalentes fuertes con los coloides de los suelos⁷. Si bien la adsorción de iones del tipo Zn²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺ fueron ampliamente estudiados^8),(10, hay poca información relacionada con la adsorción de Mg²⁺ en suelo. Como se mencionó en la introducción, el Mg²⁺ es un componente primario de la clorofila en la planta y participa en el metabolismo del fosfato, la respiración, y en la actividad enzimática de descomposición de la materia orgánica en el suelo. Como la planta adsorbe nutrientes del suelo, será importante asignar un modelo de adsorción del Mg²⁺´en el suelo. El objetivo del presente trabajo es el estudio del proceso de adsorción del Mg²⁺ en un suelo de cultivo del sector Yucumo-San Borja del departamento del Beni, Bolivia. Se asignarán distintos modelos de isotermas de adsorción en el suelo de cultivo, el mismo que será caracterizado mediante Difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), área superficial Brounnauer Emmet Teller (BET) y análisis mineralógico.

EXPERIMENTAL

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Los resultados de caracterización del suelo de cultivo se presentan en la tabla 2:

De acuerdo a la tabla 2, la textura del suelo es del tipo arenoso, la cual, se relaciona con la presencia de cuarzo. Por otro lado, hay presencia de materia orgánica en un 1.37% con un pH de suelo en un valor cercano al neutro. Por otro lado, un material arenoso posee tamaños de partícula entre 2.0-0.125mm y una arcilla posee entre 0.004-0.0005mm¹¹. De acuerdo a los valores del tamaño de partícula de suelo, la textura del mismo resultaría del tipo arenoso como se muestra en la Tabla 2. Sin embargo, a pesar de su carácter arenoso, el suelo tiene un valor de área superficial pequeña (7.17 m²/g). Este valor de área superficial se relaciona con la presencia de material arcilloso de acuerdo al análisis de textura, que indicaría un incremento del área superficial a un menor tamaño de partícula¹².

Los resultados de Difracción de Rayos X de las muestras de cultivo se muestran en la Figura 3.

En los difractogramas de la figura 3, de acuerdo a las fichas de la base de datos de referencia del HighScore Plus, el pico máximo a 26.7° es asignado al dióxido de silicio cristalino; número de código 01-085-0797. Éste representa un 95% de la composición del suelo. Asimismo, aparece un pico pequeño a 27.5°, el cual, se asigna a la fase del tipo moskovita. Esta fase es un tipo de arcilla que obedece a la siguiente formula KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH), y representa un 5% (número de código 01-082-2450)¹³.

En la tabla 3 se muestran los resultados del análisis mediante fluorescencia de rayos X realizados en la muestra de suelo.

La caracterización mediante FRX del suelo de cultivo que se muestra en la tabla 3 indica la presencia mayoritaria de Si (39.9%) el cual representa un 85.5% en el SiO₂. Por otro lado, se encontraron contenidos de Al de alrededor del 5.3% como metal minoritario los cuales se relacionan a la presencia de la moskovita de acuerdo a los resultados de DRX. La presencia mayoritaria de Si indica una contextura tipo arenosa en el suelo de estudio.

En la figura 4 se muestra los resultados del cálculo teórico de optimización geométrica de interacción del ion Mg²⁺, rodeado con moléculas de agua a partir del programa Hyperchem Professional 8.0, en un método semiempírico ZINDO-1.

De acuerdo a los resultados de cálculo teórico se tiene un valor de energía de formación del complejo de Mg²⁺(H₂O)₆ de -1288.5 kcal/mol. Por otro lado, de acuerdo a la ecuación:

Si se considera que ∆S tiende a cero, la ecuación quedaría de la siguiente manera:

Por tanto ∆G =-1288.5kcal/mol indica que la formación del complejo de Mg²⁺(H₂O)₆ es permitida en un entorno octaédrico como se muestra en la figura 4.

Los resultados de la adsorción de Mg²⁺ de la muestra de suelo en función del tiempo se muestra en la Figura 5.

Se puede observar que las isotermas de la figura 5 obedecen a un modelo del tipo L, según la clasificación de Giles, que es el tipo más común de las isotermas en fase líquida^5),(6),(18. En el caso de un tiempo de 3 días, un incremento de la concentración de Mg²⁺ favorece un valor constante de capacidad de adsorción de aproximadamente 1.07 mgMg²⁺/g muestra a partir de 550mg/L de Mg²⁺. En comparación con tiempos de 7 y 15 días, el valor constante de la capacidad de adsorción y la concentración de Mg²⁺ resulta ser: 1.41 mg Mg²⁺/g muestra a 422 mg/L de Mg²⁺, y 1.5mg Mg²⁺/g muestra a 503 mg/L de Mg²⁺, respectivamente. Estos valores indicarían un alcance del equilibrio de adsorción. De manera general, al incrementar la concentración en equilibrio de Mg²⁺ a tiempos de 7 y 15 días la adsorción aumenta lentamente hasta alcanzar un valor constante. Esto se relaciona con una fuerte atracción intermolecular entre las moléculas de adsorbato solvatados con un entorno octaédrico y la estructura del suelo, que en su mayoría, contiene la fase de SiO₂ cristalina, según los resultados de DRX.

El análisis de regresión lineal se realizó con el programa SIGMAPLOT 12.0. Los resultados se muestran en la Tabla 4.

Donde: q_e= cantidad de Mg⁺² adsorbido/g muestra (mgMg²⁺/g suelo)

C_e = Concentración en equilibrio / (ppm)

q_o = capacidad máxima de adsorción (mgMg²⁺/g suelo)

K_F= constante de equilibrio

De acuerdo a los resultados de la Tabla 4, el comportamiento de la adsorción de Mg²⁺ obedece a un modelo del tipo Langmuir cuyo factor de correlación se aproxima a uno. Esto es debido a que el número de centros activos disponibles en la monocapa para la adsorción de nuevas moléculas es cada vez menor. Esto se produce hasta alcanzar una meseta cuando el sólido ya no puede retener más adsorbato^14),(16.

A partir de estos resultados se pudo calcular los valores de la capacidad máxima de adsorción, la constante de equilibrio, y el valor de ∆G, donde la concentración en equilibrio (mg/l) se mantiene constante, ver Tabla 5.

Los resultados de la tabla 5 indican que para un tiempo de 3 días la capacidad máxima de adsorción es de 1.1 mgMg²⁺/g muestra. Ésta se mantiene constante a partir de una concentración de equilibrio de 550mg/L de Mg²⁺ en solución. Para tiempos de 7 y 15 días, la capacidad máxima de adsorción tiene el mismo valor de 1.41 mgMg²⁺/g. Este valor se mantiene constante a partir de concentraciones de equilibrio de 422 y 503 mgMg²⁺/L de Mg²⁺ en solución, respectivamente. En el caso de un tiempo de 7 días, el valor de la capacidad de adsorción se mantiene constante, lo cual se relacionaría con la saturación de iones Mg²⁺en la superficie. En el caso de un tiempo de 15 días, no se mantiene constante lo que se asocia con la instauración de los iones Mg²⁺ en superficie. El valor constante de 1.41 mgMg²⁺/g muestra, que a un tiempo de 7 días podría bien aplicarse en un futuro a plantaciones agrícolas donde la relación indica la cantidad de iones Mg²⁺ que necesitaría el suelo en una determinada masa de suelo de cultivo.

Los resultados del valor de ∆G de adsorción tienen valores positivos lo cual indicaría un proceso no espontaneo. Sin embargo, el hecho de que los iones Mg²⁺ sufren un proceso de solvatación en un entorno octaédrico de acuerdo a los resultados de cálculo teórico de la figura 4, indicaría la espontaneidad del proceso de adsorción.

Por otro lado, se realizó un cálculo teórico de la adsorción de Mg²⁺ en suelos de cultivo usando el programa MATERIALS STUDIO 8.0 para poder visualizar el proceso de adsorción. La figura 5, muestra la adsorción del Mg²⁺ en una celda unitaria de SiO₂.

En la figura 5 se observa que el ion Mg²⁺, representado con un color verde claro, se encuentra solvatado con moléculas de agua representadas con un color rojo para el oxígeno y blanco para el hidrógeno. La solvatación del Mg²⁺ se encuentra en un entorno octaédrico, donde los puntos a rayas de color blanco indican un proceso de adsorción de Mg²⁺ que se asocia a una interacción del tipo London^17),(18. Existe una fuerte atracción intermolecular débil entre el Mg²⁺ y el oxígeno del agua debido a la densidad de carga positiva del hidrogeno del agua generada por la electronegatividad de los oxígenos en la cara de la celda unitaria 110 del SiO₂.

CONCLUSIONES

- De acuerdo a los resultados estadísticos obtenidos mediante el programa SIGMAPLOT, el modelo de Langmuir es el que se ajusta mejor en la adsorción de Mg²⁺ y obedece a una isoterma del tipo L A tiempos de 3, 7, y 15 días se obtuvieron valores de capacidad máxima de adsorción de 1.1, 1.41 y 1.41 mgMg²⁺/g muestra, respectivamente. Por otro lado, a un tiempo de 7 días, el valor de la capacidad máxima de adsorción se mantiene constante a partir de una concentración de equilibrio de 422 mg/L, eso se relaciona con la saturación de iones Mg²⁺ en la superficie.

- La caracterización del suelo de cultivo mediante DRX presentan como fase mayoritaria al SiO₂ cristalino en un 95%. Los resultados de FRX indican presencia mayoritaria de Si en un 39.9%, y una presencia minoritaria de Al en un 5.3% que se relaciona con la presencia de la moskovita [KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)] identificada mediante DRX.

- Los resultados del cálculo teórico de la interacción del agua con el Mg²⁺ indican una solvatación en un entorno octaédrico con un valor de ∆G =-1288,5kcal/mol, lo cual indica que el proceso de formación del complejo de Mg²⁺(H₂O)₆ es factible.

- El cálculo teórico del Mg²⁺ solvatado en un entorno octaédrico con el soporte de SiO₂ indica una adsorción en la cara de la celda unitaria 110 del SiO₂ con una fuerte atracción intermolecular débil debido a la interacción del hidrogeno del agua con los oxígenos en la cara de la celda unitaria del SiO₂.

- El valor constante de 1.41 mgMg²⁺/g muestra a un tiempo de 7 días podría bien aplicarse en un futuro a plantaciones agrícolas donde la relación indica la cantidad de iones Mg²⁺ que necesitaría el suelo en una determinada masa de suelo de cultivo.