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Cultivos Tropicales

versión impresa ISSN 0258-5936versión On-line ISSN 1819-4087

cultrop vol.41 no.2 La Habana abr.-jun. 2020  Epub 08-Abr-2020

 

Artículo original

Caracterización de residuos sólidos para encalar y fertilizar portadores de calcio y nitrógeno

Leonardo Rodríguez-Suárez1  * 
http://orcid.org/0000-0003-1919-3773

María del Carmen Falcón-Acosta2 
http://orcid.org/0000-0002-4303-5778

Yan Carlos Ordoñez-Sánchez1 
http://orcid.org/0000-0002-7728-3374

1Centro de Ingeniería e Investigación Química CIIQ. Vía Blanca s/n entre Infanta y Palatino, Cerro, La Habana, Cuba. Teléfono 7 648 91 88-92 ext. 112

2Universidad Agraria de La Habana “Fructuoso Rodríguez Pérez”, carretera a Tapaste y Autopista Nacional, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba

RESUMEN

El nitrato de calcio líquido se obtiene a partir de la reacción entre el ácido nítrico y el hidrato de cal, portadores de los nutrientes nitrógeno y calcio respectivamente; este último proveniente de las caleras de Holguín y Pinar del Río. La generación de residuos sólidos resulta, en la práctica, el mayor impacto ambiental de este proceso. Como parte del esfuerzo para minimizar este daño, se realizó esta investigación que caracterizó los residuos generados en el proceso de obtención de nitrato de calcio líquido, en la Empresa de Fertilizantes y Plaguicidas de Nuevitas en Camagüey, con el propósito de emplearlo como portadores de nutrientes al suelo. Se conoce que estos residuos aun contienen nutrientes fácilmente asimilables por las plantas, por lo que pueden ser utilizados como fertilizante o como enmienda agrícola. Se realizó la caracterización química de los residuos a partir de la NC 1121:2016, NC 1117:2016 y American Chemical Society Specifications. Se caracterizaron los dos residuos generados, el lodo que resulta después de la sedimentación y el sólido que permanece insoluble después de la reacción de neutralización. Los valores de nitrógeno y calcio que se obtuvieron para el residuo sólido son menores a los valores presentes en el lodo. A partir de los resultados de los análisis físicos químicos que se les hicieron a los residuos se permite recomendar el uso de los mismos en la agricultura.

Palabras clave: fertilizantes; enmiendas agrícolas; suelos ácidos; impacto ambiental; NPK

INTRODUCCIÓN

La acidificación de los suelos es uno de los procesos negativos que limitan su productividad. En las regiones tropicales o subtropicales, donde las precipitaciones y temperaturas son elevadas los suelos generalmente son muy ácidos, esto provoca un desequilibrio catiónico por la lixiviación de base 1. Existe un reemplazo de bases cambiables por iones de hidrógeno y aluminio debido a la percolación del agua, extracción de cationes básicos por las plantas y por el uso de fertilizantes ácidos 2.

La misma fuente indica que cuando los suelos son fuertemente ácidos pH=4,5-5,5 se incrementa notoriamente el contenido de aluminio, lo que provoca una serie de procesos químicos - físicos que afectan negativamente el crecimiento de las plantas, entre los cuales se pueden mencionar: (i) disminución de la actividad microbiana, especialmente la bacterial; (ii) baja capacidad de intercambio catiónico; (c) cantidades reducidas de fósforo (P) calcio (Ca); magnesio (Mg), cobre (Cu) y molibdeno (Mo) disponibles. Estudios recientes indican la influencia de la fertilización nitrogenada en el aumento de la acidez y la limitada eficiencia que tienen los fertilizantes aplicados a cultivos de café (Coffea arabica L.) en suelos con problemas de acidez 3. Este problema de acidez en cafetales ha sido contrarrestado con la aplicación de cal agrícola en dosis bajas (340 kg ha/año), lo cual incrementó la producción de café en un 15 % 4.

La elevada acidez de los suelos se ve muy influenciada por la actividad del hombre 5, siendo las lluvias ácidas una de estas manifestaciones. Sin embargo, otras investigaciones indican que no siempre se acidifican los suelos 6. En estas investigaciones se presentan resultados del aumento del pH en suelos Ferralíticos Rojos y Ferralíticos Rojos Lixiviados que está ocurriendo en los últimos 20-25 años, con una hipótesis que plantea que es debido a la degradación del suelo por el manejo agrícola continuado, conjuntamente con el aumento de la temperatura media de las llanuras de Cuba de 0,9 °C en los últimos 60 años. Este aumento de pH que está ocurriendo en estos suelos, también ocurre por la influencia agrogénica, junto con el cambio climático.

En Cuba este proceso resulta muy pernicioso para la agricultura debido, entre otros aspectos, al área que es afectada por algún tipo de acidez y a la desfavorable distribución agroproductiva de los suelos.

De acuerdo a cifras oficiales, el área afectada por la acidez en los suelos de Cuba, corresponde al 50,7 % de la superficie agrícola, tomando en consideración los valores de acidez para 𝑝𝐻 𝐾𝐶𝑙 < 6 y 𝑝𝐻 𝐾𝐶𝑙 < 4,6. Significa que el 31 % de la superficie total del país está afectado por la acidez; es decir, 3,4 millones de hectáreas. Esta situación afecta a una parte importante de los suelos agrícolas del mundo, donde el 40 % son suelos ácidos con pH menor a 5,5 7.

Cuando se analiza la clasificación agroproductiva de los suelos cubanos 8, se aprecia, junto con la acidez de los suelos, el grave problema de disponibilidad de suelos para los cultivos. Sólo el 33 % son clasificados como suelos muy productivos o productivos; el 21 % medianamente productivo y aproximadamente la mitad, el 46 %, como poco productivos.

El pH del agua de riego es otro factor a tener en consideración, este debe estar entre 5,5-7,0 al igual que el pH del suelo 9. Un pH menor que 5,5 en el suelo aumenta los niveles de Al+3. El H+ intercambiable es la fuente principal de H+ hasta que el pH del suelo llega a 5,3 cuando el Al+3 de las láminas octaédricas de las arcillas se vuelve inestable y es absorbido como Al+3 intercambiable 10, siendo la toxicidad a este elemento el factor limitante de crecimiento más importante en los suelos ácidos 11. Por otro lado, en presencia de pH superior a 7,5 se limita la capacidad de absorción de hierro (Fe), manganeso (Mn) y zinc (Zn) 12.

En la Empresa de Fertilizantes y Plaguicidas de Nuevitas en Camagüey, el nitrato de calcio [Ca(No3)2] se obtiene mediante la neutralización del ácido nítrico y el hidrato de cal. Esta reacción produce el nitrato de calcio en solución y un volumen de residuos sólidos. Estos residuos sólidos están formados, de una parte, por el hidrato de cal que no reaccionó en el reactor, los cuales se colectan en el filtro primario y, por otro lado, por el lodo que se obtiene en el proceso de sedimentación.

No existe una estrategia única del control de la acidez del suelo debido a las particularidades de los mismos, la aplicación de una misma fuente cálcica en diferentes tipos de suelos genera diversas respuesta en cuanto a la concentración de calcio y potasio disponibles, valor de pH, entre otros 13. Existen muchos factores que están involucrados en la corrección de la acidez, por lo cual la solución de este problema implica un enfoque integral que abarca desde el análisis del suelo, el agua y el uso de enmiendas, entre otras 14. Experiencias en Cuba 15 han demostrado que al establecer un sistema integrado de tecnologías de manejo sostenible de suelo ayuda a mejorar el desequilibrio intercatiónico y las propiedades químicas del suelo, entre otros aspectos.

El presente trabajo tiene como propósito fundamental caracterizar los residuos sólidos que se obtienen en este proceso. La confirmación de nutrientes en estos residuos permitiría a la entidad comercializarlo como material destinado a encalar suelos ácidos y portador de nutrientes.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Química Inorgánica del Centro de Ingeniería e Investigaciones Químicas (CIIQ), ubicado en La Habana y perteneciente al Grupo Empresarial de la Industria Química (GEIQ) del Ministerio de Industrias (MINDUS).

Se pesó un kilogramo del residuo sólido del filtro primario, se secó en la estufa marca Merck ULM-500, de origen alemán, a una temperatura de 105 ºC durante una hora. Posteriormente, sin recibir algún tratamiento de reducción de tamaño, este se pasó por un vibrador de tamices Marca MRC Scientific Instruments Modelo TSS-200 para determinar la granulometría de la muestra.

Se separó un litro del lodo residual del proceso de sedimentación. Para el filtrado del lodo se utilizó un embudo con el papel de filtro F-2041, a una presión de vacío de -0,6 atm, de esta filtración se obtuvo un residuo sólido y un líquido claro.

Ambas muestras se caracterizaron de acuerdo a las normas: NC 1117:2016; NC 1119:2016; NC 1121:2016; NC 54-279 y Reagent Chemicals, 8th American Chemical Society Specifications. Se determinó la granulometría, el residuo insoluble, el porciento de nitrógeno y de calcio, la densidad del líquido y la acidez, ésta última se determina con papel indicador de pH, rango desde 1-14.

RESULTADO Y DISCUSIÓN

Las Tablas 1 y 2 presentan la caracterización de los residuos sólidos de este proceso, con el propósito de evaluar la factibilidad de ser usados como enmiendas o material encalante.

Tabla 1 Análisis físico-químico del residuo sólido del filtro primario 

Ensayo Valores
H2O (%) 18,92
Granulometría (%) < 1 mm 29,5
1 - 2 mm 25,0
2 - 3,36 mm 6,2
3,36 - 4 19,4
> 4 mm 19,9
pH 12.0
Residuo insoluble 8,95
Nitrógeno 1,43 %
Calcio 4,0 %

En la Tabla 1, se puede observar que el residuo sólido que sale del reactor tiene un pH alto por lo que aún queda hidróxido de calcio [Ca(OH)2].

Tabla 2 Análisis químico del lodo y líquido claro obtenido en el sedimentador 

Residuo sólido (227,4 g) Líquido claro (490 mL)
N2 (%) Ca (%) N2 (%) Ca (%) Densida, g mL Acidez libre
5,65 11,79 8,58 12,50 1,497 0

En la Tabla 2 se observa que existe cierta cantidad de nitrato de calcio en el residuo sólido, aunque con valores inferiores a la del líquido claro.

La corrección de la acidez consiste en neutralizar, principalmente, el aluminio intercambiable. Es de notar que esta reacción ocurre solo cuando hay humedad en el suelo y solo afecta el volumen del suelo donde se aplica. La reacción ocurre según la siguiente reacción 1,11:

2 Alsuelo+3 CaCO3+6 H2O 3 Casuelo+2 Al (OH)3+ 3 H2CO3

El efecto del encalado se extiende hasta la biodiversidad al modificar la disponibilidad de nutrientes que hace que se desarrollen unas especies en detrimento de otras, a medida que el pH se acerca a 7, el número de especies aumenta, pues un gran número de éstas tiene su desarrollo óptimo a este valor, si el pH se aleja de la neutralidad aparecen otras adaptadas a esas condiciones especiales 16. Una opinión aceptada sobre el propósito del encalado se puede resumir en dos aspectos fundamentales (i): suprimir la deficiencia de calcio y magnesio; (ii) corregir los efectos negativos de la acidez 1.

La Tabla 3 muestra los valores de neutralización de diferentes sustancias químicas empleadas para encalar.

La eficiencia agronómica de los materiales utilizados para encalar, se determina al analizar la pureza del material, la forma química, el tamaño de las partículas y el valor de la neutralización, que se expresa como porcentaje equivalente en carbonato de calcio 17,18.

Tabla 3 Sustancias correctoras de la acidez de los suelos y su valor de neutralización  

Denominación Valor de neutralización (VN) % kg equivalentes a 1000 kg de CaCo3
Carbonato de calcio 100 1000
Carbonato de magnesio 119 840
Óxido de calcio 179 560
Óxido de magnesio 248 400
Hidróxido de calcio 135 740
Hidróxido de magnesio 172 580
Silicato de calcio 86 1160
Silicato de magnesio 100 1000

Fuente: 18

Las sustancias más comunes empleadas para encalar son inorgánicas, como las que se muestran en la Tabla 4, aunque hay estudios realizados con residuos orgánicos, específicamente vermicompost de estiércol bovino, solo o mezclado, que han dado buenos resultados 19.

Otros materiales como la caliza fosfatada y combinaciones de abonos orgánicos y NPK han dado muy buenos resultados en áreas cañeras de Vertisoles de la costa norte de la provincia de Villa Clara, estas combinaciones manifestaron efectos positivos significativos sobre la estructura del suelo, tanto en la capa superficial como en el subsuelo, con impacto residual en el tiempo hasta los 36 meses 20. La aplicación de cales líquidas en un Utisol, puede disminuir rápidamente la acidez del suelo con un efecto residual superior a los 61 días e incrementar la fertilidad del suelo, aumentando la altura de las plantas, la longitud de las raíces y el peso seco de la biomasa del maíz 21.

Es preciso tener presente que es necesario realizar esta operación de manera controlada para evitar efectos adversos, siendo uno de ellos la elevación de los costos de producción.

La eficiencia agronómica del material para encalar depende del tamaño de la partícula, mientras más pequeña sea ésta, mayor será su reacción. Por lo que su eficiencia relativa (ER) va a depender del grado de molienda del material 17,18. La Tabla 4 muestra esta relación.

Tabla 4 Eficiencia relativa granulométrica de la cal con base en el tipo de malla  

Número de malla mesh Tamaño de los orificios Eficiencia relativa, %
< 8 > 2,36 0
8 - 20 2.36 - 0.85 20
20 - 40 0.85 - 0.42 40
40 - 60 0.85 - 0.25 60
> 60 < 0.25 100

Para valorar de forma conjunta estos dos factores, la pureza química y el tamaño de partícula, se utiliza un parámetro denominado Poder Relativo de Neutralización Total (PRNT). Este valor indica la cantidad de material que reaccionará en los primeros tres meses 17 y se calcula de acuerdo a la ecuación 1.

PRNT= VN*ER100 [1]

La valoración del residuo sólido del filtro primario como material para encalar se muestra en la Tabla 5.

Del balance de masa realizado en el reactor, en el filtro primario, en un día de trabajo, se obtienen 176 kg de residuos sólidos, lo que significa que 95,92 kg tienen la granulometría requerida y pueden reaccionar con la acidez de los suelos de manera eficiente. De este valor inicial 27,0 kg reaccionaría en los primeros tres meses y el resto (68, 92 kg) reaccionarían posteriormente.

Está claro que un tamaño de partícula menor en el residuo, tendría un mayor valor de PRNT y mayor cantidad de cal reaccionaría en los primeros tres meses, lográndose una mayor neutralización de los suelos ácidos en los primeros tres meses. Estos tiempos pueden variar, estudios realizados en suelos fuertemente ácidos cultivados con cacao se aplicó como material encalante cal agrícola de 85 % de pureza y cal dolomita con 55 % de CaCO3 y 33 % de MgCO3 el pH de los suelos aumentó de 4,36 hasta 6,0 en 60 días 22.

Tabla 5 Valoración como material para encalar del residuo obtenido en el filtro primario 

Residuo Eficiencia relativa granulométrica ER, % Valor de neutralización VN, %
PRNT =  (VN*ER)/100
, %
Residuo sólido granulometría 2 -<1 mm (malla 8-20)El 54,5% del residuo pasa por esta malla 20 135 27,0

El residuo del filtro primario se empleó sin ningún tratamiento de reducción de partícula para evaluar su PRNT y así evitar el incremento de los costos.

El objetivo de la planta de nitrato de calcio es producir 2800 m3 año-1 de fertilizante líquido, esto generaría 123,2 t de residuos sólidos que de emplearse como material para encalar suelos evitaría la generación de un pasivo ambiental. En la Tabla 6 se presentan las cantidades de caliza fina puramente dividida con el propósito de incrementar el pH en 0,5 unidades, por lo que puede tenerse una idea de cuanta área cubrirá este residuo. Sin embargo, es necesario hacer un análisis químico del suelo para determinar el pH y la capacidad tampón del mismo 23.

Tabla 6 Necesidades medias de caliza pura finamente dividida para incrementar 0,5 unidades de 𝑝𝐻 al suelo en función de su 𝑝𝐻 inicial, textura y composición orgánica t ha-1 

Tipo de suelo 𝑝𝐻 inicial
4,5 - 5,0 5,0 - 5,5 5,5 - 6,0 6,0 - 6,5
Arenoso 0,35 0,35 0,40 0,50
Franco - arenoso 0,50 0,60 0,70 0,90
Franco 0,85 0,95 1,05 1,25
Franco - limoso 1,30 1,40 1,50 1,70
Franco - arcilloso 1,60 1,80 2,00 2,50
Orgánico 3,60 3,80 4,00 4,50

Fuente: 24

Las características de los materiales para encalar son variables y cada uno tiene sus especificaciones. Se plantea que un material tiene buena calidad para encalar si tiene un contenido equivalente de carbonato de calcio del 80 % en adelante. Los materiales cuyo ingrediente son el óxido e hidróxido de calcio y magnesio son más efectivos en neutralizar la acidez. Además, cuanto más fino y mayor contenido de calcio y magnesio tenga, más rápida será su reacción en el suelo 24.

Sin embargo, un aspecto que podría aportar un beneficio adicional al emplear este residuo sólido en la agricultura, es la cantidad de nitrato de calcio que aún retiene el mismo y que puede ser empleado por las plantas como fuente de nitrógeno fácilmente asimilable. Otras experiencias han demostrado que la combinación de material encalante con macronutrientes puede resultar beneficioso para el incremento de la productividad de las plantas entre otros beneficios. En un trabajo realizado 25 utilizaron el yeso agrícola como material para encalar y lo combinaron con fertilizante 41-46-00 26, lo que representó ventajas competitivas en la producción de maíz, incrementando el rendimiento de la masa foliar y el rendimiento en grano, igualmente las plantas bajo este tratamiento resultaron tener tallos más robustos y de mayor altura.

En otro estudio realizado se empleó la espuma azucarera que es un material con alto contenido en peso seco de CaCO3 y pequeñas cantidades de NPK por lo que se produjo un aumento en las concentraciones medias de 𝑁 - 𝐾𝑗𝑒𝑛𝑑𝑎𝑙, 𝑃 - 𝑂𝑙𝑠𝑒𝑛 y 𝐾 - 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 de los suelos, al igual que en la fertilidad química y bioquímica de los suelos 27.

CONCLUSIONES

  • Los residuos generados como enmienda deben ser empleados para disminuir la acidez de los suelos y como portador de nutrientes.

  • Poder Relativo de Neutralización del residuo sólido del filtro primario sin triturar es igual a 27 %.

  • El 54,5 % del residuo del filtro primario tiene la granulometría requerida y puede reaccionar con la acidez de los suelos en los primeros tres meses.

  • El residuo sólido del sedimentador puede emplearse como portador de los nutrientes calcio y nitrógeno.

RECOMENDACIONES

Realizar una prueba de campo con este residuo industrial para determinar su eficiencia agronómica en la disminución de la acidez de los suelos.

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Recibido: 24 de Enero de 2019; Aprobado: 08 de Abril de 2020

*Autor para correspondencia: leonardo@ciiq.minem.cu

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