" Estudio de los proceso de adsorcion-desorcion de Cu,Mn,Pb y Zn en suelos chilenos"

Abstract

El estudio de los procesos de adsorción - desorción de metales pesados en suelos es crucial para la propuesta de estrategias efectivas de miügación, reducción o eliminación de éstos en los sistemas naturales. En este seminario de dnrlo se presenta un estudio de los procesos de adsorción y desorción de Cu, Mn, Pb y Zn en dos suelos chilenos: AIhué §I Regrón) y Nueva Braunau (X Región), ambos de origen volcánico y uso agrícola. Se utilizó estos suelos porque al pertenecer a diferentes zonas (centro y sur de Chile) se espera que poseen características diferentes. Las muestras de los suelos estudiados fueron secadas y tamizadas según &acción requerida (< 2 nrm o < 0,63 mm). La caracterización fisicoquímica: pH" CE, MO, COT, N, P, CIC y textura se rea.lizó mediante métodos descritos. La f¡acción tofal de cada metal se obtuvo mediante digestión por microondas con HNO: y HCl. El üempo de contacto necesario para alcanzar el equilibno, se deteminó dgando e1 suelo con la solución del metal a diferentes tiempos (3, 6, 12,24, 48 y 72 horas). El proceso de adsorción se realizó mediante un experimento en batch, mezclando diferentes alícuotas de solución del metal con solución equilibrante (KNO:) 0,1 M para luego determinar e1 tipo de isoterma que describe el comportamienlo de adsorción. I¿ desorción se hizo a partir de la solución 50/50 metal/solución equilibrante, mediante la extracción con KNO: O,1 M. Los metales en las diferentes muesüas de suelo y la fracción total en el suelo fueron determinados por EAA. Ei pH del suelo Alhué es moderadamente ácido mientras que el del suelo Nueva Brarmau tiene trr pH muy fuertemente ácidol ambos suelos presentan valores de CE correspondiente a suelos no salinos y un¿ textr[a franco arenos4 con porcent{es de arena y limo simila¡es, diferenci¿índose particularmente por el contenido de arcilla que en el suelo Alhué es mayor. El suelo Alhué úene una CIC con valores bajos, mienlras que los para el suelo Nueva Braunau se encuentran en el rango medio- Con respecto a la fertilidad del suelo, el suelo Nueva Baumau resulto tener mayor COT, mayor porcentaje de MO, P soluble y N total en relación con el suelo Alhué. I-os resultados permiten estab.lecer que el suelo Nueva Braunau es mas fértil que el suelo Alhué. En cuanto al estudio de los metales Cu, Mn, Pb y Zn en los suelos, la distribución de la fracción total de los me{ales en orden decrecienle segrin su concentración es en el suelo Alhué: Mn > Pb > Cu> Zny en el suelo Nueva Braunau: Mn > Pb > Zn > Cu. Se determinó que el tiempo de contacto en el cual los metales alcanzan e1 equilibrio con el suelo es a las 48 horas para ambos suelos, ajustando adecuadamente con el modelo de Elovich. Las isote¡mas de adsorción permiten describir capacidad de retención de los metales por los componenles del suelo, debido a ello, es que resulta importante conocer el tipo de adsorción que presenta el suelo para delerminar la movilidad de los metales pesados en é1, ya que de esto depende la lixiüación del metal. La adsorción se calcula con el coeficiente de distribución Q(d), que indica la capacidad que pmee rm suelo para retener un confaminante que puede ser ¡emoüdo a la fase liquida. El Kd permite comparar la capacidad de adsorción de diferentes materiales adsorbentes, pero no es un valor constante y varía de acuerdo a las propiedades del suelo, por esta razón es qr¡€ se normaliza de acuerdo al CO contenido en el suelo estudiado (Koc). De acuerdo a los valores de Kd y Koc de los metales, se logró determinar que la fracción orgrinica del suelo, no afecta el orden de retención de los metales, ya que este se mantuvo. El orden decreciente de adsorción es en el suelo Alhué es: Ct > Zn > Pb > Mn v en el suelo Nueva Bratmau: Cu > Pb > Zn > Mn. La determinación del tipo de adsorción se realizó a través de la aplicación de modelos de adsorción de l,angmür, Freundlich y Temkin. Langmür describe wa adsorción química que se da sobre superficies homogéneas, este modelo determina la saturación de los sitios, permitiendo conocer el punto hasta el que el suelo puede aceptar una carga de meta.les pesados sin moülizarlos, ya sea por difusión o lixiüación; entre los metales estudiados, Cu ajustó de acr¡erdo al modelo Langmuir en ambos suelos. El modelo de Freundlich representa adsorción fisica que se da en superficies heterogéneas, y permite conocer la capacidad de cada suelo para adscrber metales agregados; para este modelo, los metales que ajustaron de manera lineal fueron Cu y Zn eo ambos suelos. El modelo de Temkin permite determinar si se trata de una adsorción química o una adsorción ffsica en base al valor de la Contante de Temkin (B), que corresponde a la pendiente de 1a ecuación, la cual si es < 8 kjmol-l describirá proceso de quimisorción en donde la interacción adsorbato adsorbente es fuerte, de Io contrario corresponderá a prooesos de fisisorción; con este modelo no se enconüó ajuste de los metales en ambos suelos, a pesar de que su pendiente indicaría procesos de quimisorción. Ninguno de los modelos aplicados logró describir adecuadamente el tipo de ¿dsorción exislente de los metales Mn y Pb en los suelos estudiados, probablemente porque poseen características frsicoquimicas mas comple.jas, que requieren el uso de otros modelos. El estudio de desorción de los metales, explica la tendenci¿ del metal a ser extraído de los compartimientos del suelo, adquiriendo movilida{ aumentando así la biodisponibilidad y posible lixiviación. Los resr¡ltados de desorción son: suelo Alhué: Pb>Mn>Zn > Cuy suelo Nueva Brarmau: Mn>Pb>Zn>Cu; estos son consistenles con los resullados obtenidos en la adsorción para Cu y Zn y con caracteristicas fisicoquímicas de Mn y Pb como radio iónico, esfera de hidraación y forma quimica en la que se presenta a pH con tendencia ácida- Este seminario permitió deteminar que a pesff de que los suelos estudiados poseen características fisicoquimicas diferentes, muestran comportamientos de adsorción/desorción similares, encontrando que de las caracterisücas analizadas, es el pH y el porcentaje el contenido y de arcillas, los que más influyeron en la adsorción de metales. El suelo Alhué, con pH y contenido de arcillas mayor que el suelo Nueva Braunau, obtuvo valores más altos en los coeñcientes de los modelos que determinan la capacidad de ser adsorbidos y retenidos por el suelo. A partir de los resultados de adsorciór/desorción en ambos suelos, Cu no sería un potencial contaminarite del suelo, ya que fue el más adsorbido y no se detectó desorción, por lo que no tendri¿ la posibilidad de livixiar y ser movilizado a través del mismo suelo otros componentes ambientales, como por ejemplo otros suelos o hacia aguas subterriáneas, mientras que el Mn si lo seria, dado que fue el menos adsorbido y el mrás desorbido. Con respecto a Pb y Zn, pueden lixiviar y movilizarse hacia otros componentes ambientales, pero en menor magnitud que Mn.

The study of the adsorption/desorption processes of heary metals in soils is crucial for the proposal of effective strategies of mitigation, reducúon or elimination of these in nalural systems. In üis seminar we present a study of the adsorption and desorption processes of Cu, Mn, Pb and Zn in two Chilean soils: Alhué (VI Regron) and Nueva Braunau (X Region), troth of volcanic origin and agricultural use. These soils were used because they belong to different zones (central and south of Chile) and are expected to have different characteri sti cs. Samples of the soils studied were dried and screened according to the fraction required (< 2 mm or < 0,63 mm). The physicochemical characterization: pE CE, MO, COT, N, P, CIC and texture was performed by described methods. The total fraction of each metal was obtained by microwave digestion with HNO: and HCl. The contact time required to reach equilibrium was determined by leaving the soil with the metal soluúon at different times (3, 6, 12, 24, 48 and 72 hours). The adsorption process was performed by a batch experiment, mixing different aliquots of solution of the metal with equilibrating solution (KNO:) 0,t M and then determining the §pe of isotherm that describes the adsorption behavior. The desorption was made from the 50/50 metal/eqülibration solution, by extraction with 0,1 M KNO:. The metals in the different soil sanrples and the total fraction in fhe soil were determined by EAA. The pH of Alhué soil is moderately acid r,rtrile üat of New Braunau soil has a very strongly acidic pH. Both soils have EC values corresponding to non-saline soils and a sandy loam texture, with simila¡ sand and silt percentages, being particulmly differentiated by the clay content thal is higher in the Alhué soil. The Alhué soil has a low-value CIC, while the Nueva Braunau soil is in the middle range. With respect to soil fertility, the Nueva Bramau soil was found to have higher TOC, higher percentage of OM, soluble P and total N in relation to Alhué soil. The results allow us to establish that the Nueva Braunau soil is more fertile than the Alhué soil. As for the study of metals Cu, Mn, Pb a¡rd Zn in soils, the distribution of the total fraction of the metals in decreasing order according to their concentr¿tion is in the soil AIhué: Mn > Pb > Cu > Zn and in üe soil New Braunau: Mn > Pb > Zn > Cu. It was determined that the contact time at which the metals reach equilibrium with the soil is at 48 hours for both soils, adjusting adequately with rhe Eloüch model. The adsorption isotherms allow to describe the retention capacity of the metals by the soil components, due to il is that it is important to know the fpe of adsorption that the soil presents to determine the mobility of the heav-v metals in i¡ since this depends on the leaching of the metal. Adsorption is calculaúed with the distribuüon coefñcient (Kd), which indicates the ability of a soil to retain a contaminant that can be removed úo the liquid phase. The Kd allows to compare the adsorption capacity of different adso¡bent materials, but it is not a const¿nt value and varies according to the soil properties, for this reason it is normalized according to the CO content in the studied soil (Koc). According to the values of Kd and Koc ofthe metals, it was possible to determine that the organic fraction of the soil, does not affect the order of retention of the meta.ls, since this one was maintained. The decreasing order of adsorption is in the Alhué soil: Cu> Zn> Pb> Mn and in the soil New Brarmau: Cu> Pb> Zn> Mn. The determination of adsorption tlpe was carried out through the application of Langmuir, Fretmdlich and Temkin adsorption models. Langmuir describes a chemical adsorption that occurs on homogeneous surfaces, this model determines the saturation of the sites, allowing to know the point until the soil can accept a load of heary metals without mobilizing them, either by diffr¡sion or leaching. Among the studied metals, Cu adjusted according to the Langmuir model in both soils. The Frer¡ndlich model represents physical adsorption that occurs in heterogeneous swfaces, and allows to know the ability of each soil to aGorb aggregate metals. For this model, the metals that adjusted linearly were Cu and Zn in both soils- The Temkin model allows to determine if it is a chemical adsorption or a physical adsorption based on the value of the Temkin Counter @), which corresponds to üe slope of the equation, which if < 8 kjmofr will describe the process of chemisorption in which the adsorbent adsorbate inle¡acüon is strong, otherwise it will correspond to physisorption processes. With üis model no adjustment of the metals was formd in both soils, alüough its slope would indicate processes of chemisorption. None of the models applied adequately described the type of adsorption ol melals Mn and Pb in lhe soils studied, probably because they have more complex physicochemical characteristics, which requrre the use of other models- The study of desorption of metals explains the tendenry of the metal to be extracted from the soil compartrnents, acquiring mobility, üus increasing the bioavailability and possible leaching. The desorption results are: Alhué soil: Pb > Mn > Zn> Cu and soil New Brar:nau: Mn > Pb > Zn> Cu. These are consistent with the resr¡lts obt¿ined in adsorption for Cu and Zn and with physicochemical characteristics of Mn and Pb as ionic radius, sphere of hydration and chemica.l form in which it is presentsd at pH with acid tendency. This seminar allowed to determine that aldnough lhe studied soils have different physicochemical cha¡acteristics, they show similar adsorption/desorption behavior, finding that of the analyzed cha¡acteristics, it is ttre pH and the percentage the content and of clays, which most in{luenced the adsorption of metals. Alhué soil, with pH and clay con¿ent higher than the Nueva Braunau soil, obtained higher values in the coefñcients ofthe models that determine the capacity to be adsorbed,and retained by the soi1. From the adsorptioddesorption tesults in both soi1s, Cu would not be a potential contaminant of the soil, since it was the most adsorbed and no desorption was detected, so it would not have the possibilitv of livixiar and be mobilized through the same soil other environmental components, such as other soils or gtowrdwater, while the Mn would be, since it was the least adsorbed and the most desorbido. With respect to Pb and Zn, they can leach and mobilize toy/ards other enüronmental components, but to a lesser extent fhan Mn.